4、PFC电路设计：临界模式（CrM）PFC、交错式PFC、GaN在PFC中的应用
聊到氮化镓快充，PFC（功率因数校正）是绕不开的一关。说实话，很多工程师觉得PFC就是个大电感加个二极管，凑合能用就行。但你要是想把效率做到95%以上，把体积做到巴掌大小，PFC这块就得下真功夫了。
我个人习惯把PFC分成三类：连续模式（CCM）、临界模式（CrM）和断续模式（DCM）。在快充这个领域，用得最多的就是CrM和交错式CrM。为什么？因为GaN的开关速度快，CrM天然适合高频化、小型化。今天我就把这块掰开了讲清楚。
核心观点：CrM PFC + GaN，是当前100W-300W快充电源的黄金组合。交错式CrM则适合300W以上，或者对纹波有苛刻要求的场景。
4.1 临界模式（CrM）PFC 的工作原理
CrM PFC，说白了就是让电感电流在每个开关周期刚好降到零，然后马上开始下一个周期。它不像CCM那样电流一直连续，也不像DCM那样死等一段时间。它卡在中间——临界点。
为什么会选这个模式？因为CrM天然实现了零电流开通（ZCS）。MOSFET在电流为零时开通，开关损耗几乎为零。这对GaN来说简直是天作之合。GaN最怕什么？怕硬开关带来的高频振荡和过冲。CrM正好避开了这个痛点。
我在项目中遇到过一个问题：某次做140W快充，用CrM PFC，频率在轻载时飙到了200kHz以上。电感开始尖叫，磁芯损耗急剧上升。后来怎么解决的？加了频率钳位电路，把最高频率限制在130kHz。嗯，这里要注意，CrM是变频的，轻载频率高，重载频率低。设计时一定要算好最低和最高频率范围。
设计要点：CrM PFC的关键参数是电感量。电感量决定了频率范围。我一般先确定最低频率（通常65kHz-100kHz），再反推电感量。公式很简单：L = (V_in_min² × (V_out - √2 × V_in_min)) / (2 × f_min × P_out × V_out)。
4.2 谷底导通（VGS）技术
CrM PFC还有一个绝活——谷底导通。你想想看，电感电流过零后，MOSFET的漏源电压会开始振荡。振荡的第一个谷底，电压最低，这时候开通损耗最小。
控制芯片会检测这个谷底。比如NCP1607、L6563这些经典芯片，都有谷底检测引脚。我建议新手直接选带谷底导通功能的控制器，省去自己搭检测电路的麻烦。
曾经有个项目，客户要求效率必须大于96%。我用了CrM + 谷底导通，搭配GaN FET，最终效率做到了96.8%。说实话，这个成绩在140W这个功率段已经相当不错了。
4.3 交错式CrM PFC
单路CrM PFC有个硬伤——输入电流纹波大。因为电流是三角波，需要很大的EMI滤波器才能压住。功率超过300W时，这个问题尤其突出。
交错式CrM PFC就是解决方案。两路CrM PFC并联，相位相差180°。一路电流上升时，另一路在下降。两路叠加后，总电流纹波大幅减小。纹波频率也翻倍了，EMI滤波器可以做得更小。
我做过一个240W的氮化镓适配器，用的就是交错式CrM。两路各120W，电感用PQ2620磁芯，开关频率在80kHz-150kHz之间变化。实测输入电流纹波只有单路的40%左右。EMI滤波器只用了一级共模扼流圈就过了CLASS B。
| 参数 | 单路CrM PFC | 交错式CrM PFC |
|---|---|---|
| 输入电流纹波 | 大（100% 峰峰值） | 小（约40% 峰峰值） |
| EMI滤波器体积 | 大 | 小 |
| 功率范围 | ≤ 200W | 200W - 500W |
| 控制复杂度 | 低 | 中（需均流控制） |
| 成本 | 低 | 略高（多一路功率管） |
注意：交错式CrM最怕两路不均流。如果一路电流大、一路电流小，纹波对消效果会大打折扣。我曾经在调试时发现，两路电流偏差超过20%时，纹波反而比单路还大。一定要用带均流功能的控制器，比如UCC28064、NCP1632这些。
4.4 GaN在PFC中的应用优势
GaN在PFC里到底能干什么？我总结了三句话：
- 频率可以更高：GaN的寄生电容小，开关速度是Si MOSFET的3-5倍。CrM PFC用GaN，可以把最低频率做到100kHz以上，电感体积缩小30%以上。
- 没有反向恢复：GaN是横向器件，体二极管不存在反向恢复问题。PFC的升压二极管可以用GaN FET的同步整流代替，效率再提0.5%-1%。
- 驱动简单：GaN是电压驱动，驱动功率比Si MOSFET小很多。不过要注意，GaN的栅极耐压只有±7V左右，驱动电压要精确控制在5V-6V。
我记得有个项目，客户要求把140W快充的体积压缩到60cc以内。用Si MOSFET做PFC，电感用PQ2620，高度12mm，怎么都塞不进去。换成GaN后，频率提到150kHz，电感改用RM8，高度只有8mm。整机体积做到了55cc。这就是GaN的价值。
4.5 实际设计中的避坑指南
避坑1：我曾经在CrM PFC的电流采样上栽过跟头。采样电阻放在源极，结果高频振荡导致采样波形严重失真。后来改用电流互感器，问题才解决。如果你用GaN，建议用互感器采样，因为GaN的开关边沿太陡了，电阻采样很难处理好。
避坑2：交错式CrM的启动时序很重要。两路不能同时启动，否则冲击电流会很大。我一般让一路先启动，等输出电压稳定到90%后，再启动第二路。这个逻辑可以用MCU实现，也可以用硬件延时电路。
避坑3：GaN的驱动回路要尽量短。我建议把驱动电阻放在GaN FET的栅极引脚旁边，距离不超过5mm。驱动回路面积越小，振荡越小。这个细节很多人不注意，结果GaN炸了一堆。
4.6 关键参数计算示例
我们以140W快充为例，输入90V-264V AC，输出400V DC。用CrM PFC + GaN方案。
// 关键参数计算
输入电压最小值: V_in_min = 90V AC (127V DC峰值)
输出电压: V_out = 400V DC
输出功率: P_out = 140W
最低开关频率: f_min = 80kHz
// 计算电感量
L = (V_in_min² × (V_out - √2 × V_in_min)) / (2 × f_min × P_out × V_out)
L = (127² × (400 - 179)) / (2 × 80000 × 140 × 400)
L ≈ 220 μH
// 选择磁芯
选用RM8磁芯，PC95材质
匝数: N = L × I_peak / (B_max × A_e)
I_peak = √2 × P_out / V_in_min × 2 = 2 × 140 / 127 × 2 ≈ 4.4A
B_max取0.3T，A_e = 64 mm²
N ≈ 220e-6 × 4.4 / (0.3 × 64e-6) ≈ 50匝
// 线径选择
电流有效值: I_rms = P_out / (V_in_min × PF) ≈ 140 / (90 × 0.99) ≈ 1.57A
选用0.1mm × 50股利兹线，电流密度约5A/mm²这个电感量算出来是220μH。实际调试时，我可能会微调一下。因为寄生参数会影响实际频率。我习惯先绕一个样品，上电测一下频率范围，再调整匝数。
4.7 总结
CrM PFC是氮化镓快充的绝配。它结构简单、成本低、效率高。交错式CrM适合更大功率或对纹波敏感的场景。GaN的加入，让PFC可以跑得更高频、更高效、更小体积。
设计时记住三点：电感量决定频率范围，谷底导通降低开关损耗，交错式要做好均流。把这些搞定了，PFC这块基本就稳了。
好了，这一章就聊到这里。有问题欢迎交流。
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