《IEEE Open Journal of Power Electronics》：A New Control Strategy of a Boost PFC for Enhanced GaN-based DC-DC Converters
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本文针对为GaN基准谐振反激（QRF）转换器供电的两级AC/DC转换器中功率因数校正（PFC）级的轻载/中载效率问题，提出了一种交流线同步打嗝模式控制策略。该策略在低于IEC 61000-3-2功率阈值时选择性关断PFC，显著降低了开关损耗，同时保证了负载突变的鲁棒瞬态性能。研究成果对高能效电力电子设备开发具有重要意义。
在追求高效节能的今天，为各类电子设备供电的“电源适配器”内部藏着大学问。一个常见的高能效电源架构是两级式：前级负责功率因数校正（Power Factor Correction, PFC），让电源从电网“吸取”电流的方式更“规整”，减少对电网的污染；后级是DC-DC（直流-直流）转换器，负责将前级处理后的高压直流电，精确、高效地转换为设备所需的低压直流电。随着以氮化镓（GaN）为代表的宽禁带半导体器件的普及，后级DC-DC转换器的开关频率和功率密度得以大幅提升，效率也更高。然而，这也对前级PFC电路提出了新挑战：在很多应用场景下，电源的实际负载经常处于轻载或中载状态。在传统控制策略下，即便负载很轻，PFC级也持续高频开关工作，由此产生的“开关损耗”在这些负载区间就变得尤为突出，严重拖累了整个电源系统的综合效率。换言之，一个身手敏捷的后级“运动员”（GaN DC-DC转换器），却被一个不知疲倦但效率不高的前级“勤务兵”（PFC）拖了后腿。特别是在必须满足IEC 61000-3-2等严格的谐波电流标准时，如何在不牺牲性能的前提下，让PFC这个“勤务兵”在低负荷时也能“歇一歇”，成为提升整体能效的关键难题。
为了解决上述问题，研究人员在《IEEE Open Journal of Power Electronics》上发表了一项研究，提出了一种新颖的PFC控制策略。这项研究的核心目标是：在确保满足国际标准和负载突变时稳定响应的前提下，显著降低两级AC/DC电源在轻载和满载之间的广泛负载范围内的功耗。为此，研究人员将目光投向了相关标准的细节。IEC 61000-3-2标准对低于一定功率阈值的设备谐波限制有所放宽。研究者巧妙地利用了这一“规则允许”，设计了一种交流线同步的打嗝模式（AC-line-synchronized hiccup-mode）控制策略。其核心思想是，当系统功率低于标准阈值时，允许PFC级间歇性地完全停止工作（即“打盹”或“打嗝”），而不仅仅是降低开关频率。但简单地关闭PFC可能导致后级DC-DC转换器的输入电压（即直流母线电压）波动过大而失控。因此，该策略的精妙之处在于双重协同控制：一是基于电压滞环的直流母线管理，设定一个安全的电压窗口，当母线电压跌至下限时重新开启PFC进行充电，升至上限时则关闭PFC；二是与交流电网电压同步，精心选择只在交流电压周期中转换效率最高的那部分时段内重新启用PFC。这种“择时充电”的方式进一步优化了效率。更重要的是，与传统方法仅关闭驱动信号不同，该策略在控制器供电层面实现了PFC电路的物理断电，彻底消除了控制电路本身的待机损耗和重启时的“冷启动”问题，确保能够瞬时、平滑地重启，没有冲击电流。通过理论推导直流母线电压的极限设计准则，该策略在保证下游准谐振反激（Quasi-Resonant Flyback, QRF）转换器在最恶劣的负载与电网条件下稳定运行的同时，避免了增大储能电容或提高过流保护阈值的需求，兼顾了成本与可靠性。
为验证这一控制策略的有效性，研究人员开展了一系列仿真与实验。他们在一个100瓦的GaN基原型电源上进行了测试，该原型包含采用所提控制策略的Boost PFC前级和一个GaN晶体管的QRF后级转换器。研究的关键技术方法主要包括：提出并实现了交流线同步与电压滞环控制相结合的数字控制算法；构建了包含PFC级和QRF级的完整硬件原型平台；通过仿真和实验测试，系统评估了所提策略在不同负载和电网条件下的稳态效率、动态响应（如负载突加突卸）以及谐波电流符合性。
研究结果具体如下：
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稳态性能与效率提升：实验结果表明，在广泛的负载范围内，采用所提控制策略的转换器效率显著高于采用传统连续导通模式（Continuous Conduction Mode, CCM）PFC或临界导通模式（Critical Conduction Mode, CrM）PFC的转换器。特别是在低于75瓦的中轻负载区间，效率提升最为明显。这直接证实了通过间歇性关闭PFC来减少开关损耗的有效性。
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直流母线电压动态：在打嗝模式工作期间，直流母线电压在设定的滞环窗口内波动。波形显示，PFC的启用阶段被精确地控制在交流电压周期的高效率区间内，母线电压的上升和下降过程平稳可控，证明了同步控制逻辑的正确性。
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负载瞬态响应：在负载突然从轻载阶跃到满载的严苛测试中，系统表现出卓越的鲁棒性。直流母线电压虽然会因PFC从关闭到重新启动的短暂延迟而有所下降，但其跌落幅度被严格限制在设计的安全范围内，并且能快速恢复，下游QRF转换器的输出电压始终保持稳定，未发生崩溃或大幅波动。这验证了所提策略在维持系统动态性能方面的能力。
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谐波电流符合性：尽管PFC间歇性关闭，但输入电流的测量波形显示，其谐波成分在IEC 61000-3-2 Class D标准规定的限值之内。这表明该策略在提升效率的同时，并未牺牲对电网电能质量的基本要求。
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与常规方法的对比：与传统的、仅通过降低开关频率来改善轻载效率的PFC控制方法相比，所提出的策略由于实现了物理断电，消除了门极驱动和控制电路的静态功耗，因此在极轻负载下的效率优势更为突出。同时，其重启机制避免了冲击电流，这是传统“打嗝模式”有时会面临的问题。
归纳研究的结论与讨论部分，本工作的意义重大。它成功提出并验证了一种用于Boost PFC的新型控制策略。该策略通过交流线同步和电压滞环控制的协同，智能地将PFC级的工作状态与系统实际功率需求及电网周期相位对齐，从而在保证系统瞬态鲁棒性和符合谐波标准的前提下，显著降低了轻载和中等负载下的开关损耗。与常规技术的关键在于其物理断电能力，从根本上消除了残余损耗。理论推导的直流母线电压设计准则确保了方案的可靠性，且无需增加额外硬件成本。这项研究为高效率、高功率密度AC/DC电源的PFC级优化提供了一种创新且实用的解决方案，尤其适用于那些负载变化范围大、对平均效率要求高的应用场景，如适配器、服务器电源等，推动了宽禁带半导体器件应用背景下整体电源系统能效的进一步提升。
