HP1010

伴隨著氮化鎵和碳化硅等第三代半導體功率器件在應用端的興起，圖騰柱PFC也隨之從學術研究走到了現實的產品里。然而，在受益于拓撲電路簡潔，高功率密度和效率的同時， 還是有很多技術難點是需要克服的。本文將討論圖騰柱PFC電流采樣，以及慧能泰發布的數字控制圖騰柱PFC控制器HP1010的實測性能。

傳統升壓PFC電路中的電感電流檢測可以簡單到單個分流電阻。在圖騰柱PFC中，電感電流檢測并不容易，主要需要解決：高壓隔離和快速保護兩大難點。如圖1和圖2， 電感電流采樣電路和輸出電壓供地， 所以需要隔離的電流采樣方案。當前隔離電流采樣方案主要有3種：

霍爾效應傳感器利用霍爾效應測量磁場的變化，從而測量電流。精準度一般通產在0.5%- 5%，功耗低在毫瓦級，支持雙向和直流采樣的優點。但是傳感器面對磁場微弱變化帶來的采樣困難，需要通過放大信號和介質材料兩個路徑來提高性能。這樣會導致體積問題。圖騰柱拓撲的應用中需要考慮兩個問題：低延時和高功率密度設計。交流電壓頻率一般在50 Hz – 60 Hz, 傳感器采樣速度需要滿足突發請發情況下（過流， 雷擊等），PFC功率管快速響應， 通常在幾百KHz。為了滿足主開關管的逐周期（CBC）過電流保護，較低的傳輸帶寬將影響電流采樣輸出的上升斜率，致使控制器無法及時對過電流進行保護。因此，傳感器帶寬是霍爾傳感器的最大問題。

差模電流采樣利用了基爾霍夫電流定律（KCL）和歐姆定律，根據電流在測量電阻中產生的電壓差來測量電流。電流方向通過比較參考和被測電流的差異來獲取。隔離運放的調理電路相對復雜，需要占用PCB較大面積，且容易受到共模電壓干擾。其次隔離運放的傳輸帶寬通常在幾百kHz，因此同樣影響逐周期電流保護的效果，高帶寬的隔離運放的成本也是重要考慮因素。

感應被測電流在次級線圈中產生的電流來實現電流的采樣。CT無需驅動電路，并且可以低功耗測量大電流。相對隔離運放和霍爾，低成本的CT即可具有相對最高的帶寬（~MHz），精度通常在0.1%-1%, 不易受到溫度影響。使用中要注意直流帶來的磁飽和以及線圈磁化后精度下降的問題。圖騰柱拓撲里，HP1010可以通過三個CT來重構一個開關周期內完整的功率電感平均電流，從而實現功率因素校正。

圖 1：圖騰柱PFC電流采樣：霍爾（左） ; 隔離運放（右）

圖 2：HP1010 CT 電流采樣

HP1010 采用電流互感器方案。這個方案力爭實現三個優勢：

01

天然滿足隔離采樣

02

支持高頻開關管逐周期電流保護（CBC）

03

慧能泰專利電路，實現簡單、靈活

圖2中， CS1和CS2組合提供實時、精準的電感平均電流信息，同時CS1集成了保護門限可編程的高性能模擬比較器，可以滿足圖騰柱拓撲控制里，對動態過流，雷擊保護的訴求，如圖3測試證實。根據具體設計要求，CS2采樣可以靈活選擇電阻，或CT的方案。結合采樣信息，HP1010的高性能Sigma-delta ADC兼顧了高頻采樣，功耗，以及平均電流的計算。與峰值電流相比，平均電流的使用可以進一步降低寬負載下總電流諧波失真（THDi），如圖4測試。

圖 3：HP1010雷擊測試，正半周期負向雷擊（左），負半周期正向雷擊（右）

圖 4：HP1010 600W參考設計THDi測試曲線

綜上所述， 本文主要討論了圖騰柱PFC應用中常見的電流方案。三種方案，a)電阻加隔離運放，b)電流互感器，c)霍爾傳感器，各有優缺點，參考表1。

表 1：圖騰柱PFC常見電流采樣方案

工程師對某個方案的選取，需要考慮系統性能，器件參數，成本等多個因素。HP1010的測試數據證實，圖騰柱拓撲在收獲高效的同時， 可以安全可靠的運行；結合特有的控制算法，電流互感器方案簡潔靈活，并且CBC保護性能出色。事實上除了雷擊保護，HP1010還提供豐富完善的可編程保護功能，包括：浪涌過電壓保護、輸入電壓過壓/欠壓保護、輸出電壓過壓/欠壓保護、輸出反饋電壓開路保護等。保護功能參數與使能均可獨立配置。I2C和UART通信接口使配置，通信簡單靈活。所以，HP010廣泛應用在空調和白色家電、高性能計算機、5G/ 電信電源、工業電源、超高密度 (UHD) 電源、帶有IGBT的PFC電源等系統。更多的細節可以訪問：慧能泰半導體官網-數字能源/HyCtrl (hynetek.com)。

審核編輯：劉清