EVAL_3K3W_TP_PFC_SIC2：3300W CCM雙向圖騰柱PFC評估板解析

在當今的電子設備設計中，對于高效、高功率密度電源的需求日益增長。特別是在高端服務器和電信設備等應用場景，對電源的性能和穩(wěn)定性提出了極高的要求。今天，我們就來詳細探討英飛凌的EVAL_3K3W_TP_PFC_SIC2評估板，它為無橋圖騰柱功率因數(shù)校正器（PFC）提供了一種出色的系統(tǒng)解決方案。

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1. 系統(tǒng)概述

EVAL_3K3W_TP_PFC_SIC2評估板采用了英飛凌的超結（SJ）CoolMOS?和寬帶隙CoolSiC? G2功率半導體、驅(qū)動器以及微控制器（MCU），實現(xiàn)了具有雙向能力的無橋圖騰柱PFC。該評估板專為需要高效率（高達99.2%）和高功率密度（73W/in3）的應用而設計，如高端服務器和電信設備。同時，其雙向功率流能力使其適用于電池充電器或電池形成應用。

1.1 關鍵器件

• CoolSiC? 650 V G2 MOSFET：采用TO - 247四引腳封裝，作為圖騰柱PFC的高頻開關，將效率提升至99.2%。
• 600 V CoolMOS? C7 SJ MOSFET：用于圖騰柱PFC的返回路徑（低頻橋）。
• EiceDRIVER? 2EDF7275F：隔離柵極驅(qū)動器。
• CoolSET? ICE5QSAG QR反激控制器和CoolMOS? 950 V P7：用于偏置輔助電源。
• XMC? XMC1404 MCU：實現(xiàn)PFC控制。

1.2 拓撲結構

評估板采用無橋圖騰柱拓撲，在整流器（PFC）和逆變器模式下均以連續(xù)導通模式（CCM）運行，并通過英飛凌XMC? 1000系列微控制器實現(xiàn)全數(shù)字控制。在拓撲結構中，圖騰柱PFC轉(zhuǎn)換器前的二極管橋僅用于啟動或浪涌條件下的電流路徑，在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換器運行期間并非電流路徑的一部分。

2. 評估板詳細描述

2.1 物理規(guī)格

評估板尺寸為208mm長、89mm寬、40mm高（1U），功率密度達到73W/in3。

2.2 布局設計

• AC輸入部分：AC輸入連接器后依次放置了兩級EMI濾波器、保險絲、NTC浪涌電流限制器和輸入繼電器。
• DC輸出部分：DC輸出連接器與AC連接器位于同一側(cè)，靠近輸出連接器處放置了單級濾波器，以確保在效率測量中正確采集輸出變量。
• 子卡部分：評估板另一側(cè)放置了兩個子卡，即偏置板和控制卡。偏置板使用QR CoolSET?控制器和950 V P7 CoolMOS?開關為控制卡、驅(qū)動、繼電器和風扇電源生成所需電壓。控制卡實現(xiàn)所需的電流、電壓和極性感應，全數(shù)字控制由英飛凌XMC? MCU實現(xiàn)。
• 圖騰柱部分：評估板其余部分為無橋圖騰柱本身，包括PFC扼流圈、大容量電容器以及由650 V CoolSiC? G2和600 V C7 CoolMOS? MOSFET組成的橋。大容量電容設計滿足保持時間要求，半導體器件安裝在帶有風扇的散熱器上，風扇向PFC扼流圈吹氣。

3. 數(shù)字控制信號調(diào)理

評估板在PFC和逆變器操作中均采用帶占空比前饋（DFF）的CCM平均電流模式控制。與傳統(tǒng)PFC不同，無橋圖騰柱PFC轉(zhuǎn)換器中的電感電流有正有負，通過與電感串聯(lián)的分流電阻來感測電流是一種簡單且經(jīng)濟高效的方法。同時，評估板中的控制參考（GND_iso）位于分流電阻后的交流線路上，因此電流感測電壓（CS +）根據(jù)參考電流的正負而變化。

由于用于控制實現(xiàn)的MCU（英飛凌XMC1404）的ADC僅允許零到電源電壓之間的輸入電壓，因此在CS增益中加入了2.5V的偏移，以充分利用ADC的輸入范圍。此外，還調(diào)整了差分增益（Ki），以考慮電感平均電流和開關頻率紋波。

在圖騰柱操作中，對于PFC和逆變器功率流，返回路徑晶體管（HS_SR和LS_SR）根據(jù)交流極性在交流過零點切換。通過將控制參考置于交流輸入軌道之一中，簡化了極性檢測，并利用XMC?的內(nèi)部ESD二極管保護將輸入電容電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

4. 圖形用戶界面（GUI）

XMC? MCU包含串行通信接口（UART）和特定協(xié)議，允許計算機與MCU進行通信。通過XMC? Link（UART到USB轉(zhuǎn)換）開發(fā)的Windows用戶界面（GUI），可更新控制器中的兩組主要參數(shù)：

• 死區(qū)時間：可在圖騰柱拓撲中的低側(cè)和高側(cè)CoolSiC?開關之間修改死區(qū)時間，死區(qū)時間可在兩個線性區(qū)域內(nèi)修改，并具有最小和最大限制。
• 功率命令：在逆變器操作中設置電流水平，模擬最終應用中DC - DC級發(fā)送的命令。

5. PFC（AC - DC操作）規(guī)格和測試結果

5.1 性能和穩(wěn)態(tài)波形

評估板在PFC模式下的性能通過可編程交流電源和電子負載進行測試。在230Vrms、50Hz/60Hz條件下，效率在1650W（50%負載）時可達99.2%，電流總諧波失真（THD）在10%負載以上小于10%，功率因數(shù)在20%負載以上大于0.95。

5.2 電力線干擾

• 線路周期中斷（LCDO）：3300W圖騰柱CCM PFC僅在高線運行，因此從230V到0V測試ACLCDO能力。測試結果表明，無論電壓中斷的起始角度如何，輸出電壓均在指定的動態(tài)變化范圍內(nèi)。若中斷時間超過指定時間，輸出電壓欠壓（300V）可能觸發(fā)，導致設備關閉并重啟。
• 電壓驟降：考慮并測試了兩種不同的高線電壓驟降條件。當電壓驟降時，由于電感平均電流限制為28A，輸出電壓可能無法調(diào)節(jié)到400V。若電壓低于標稱范圍的時間超過指定時間，PFC將關閉并在空閑時間后軟啟動。

5.3 輸出電壓動態(tài)行為

• 負載瞬態(tài)響應：在PFC模式下，考慮10%負載（0.8A）到90%負載（7.4A）的階躍變化，輸出電壓動態(tài)范圍在375V到430V之間。當負載移除時，過沖達到440V，低于過壓設置（450V），轉(zhuǎn)換器能夠在不中斷PWM的情況下降低電壓。
• AC電壓變化：輸入電壓變化會影響大容量電壓，在正常運行范圍內(nèi)，大容量電壓在330V到430V之間。當輸入電壓突然增加時，電感電流會立即增加，直到電壓環(huán)和線路前饋降低電流需求，可能觸發(fā)峰值電流限制（40A）。

5.4 浪涌電流和PFC啟動

通過可編程交流電源和高壓電子負載測試PFC啟動。連接到交流電源時的浪涌電流通過NTC限制，在滿足啟動條件時，NTC電阻被并聯(lián)繼電器短路。測量結果表明，浪涌電流遠低于指定的30A。

6. 逆變器（DC - AC操作）規(guī)格和測試結果

評估板的無橋圖騰柱拓撲具有固有的雙向功率流能力，可通過主板上的開關選擇逆變器操作模式。逆變器操作在高線交流輸入（最小RMS電壓176V）下以65kHz開關頻率運行，其效率、THD、PF、AC電壓范圍和OCP規(guī)格與PFC模式相同，但部分規(guī)格有所不同。

6.1 穩(wěn)態(tài)波形

在逆變器模式下，無橋圖騰柱拓撲的電感電流與PFC操作相比相位相差180度，電流實際注入交流電網(wǎng)。測試可在穩(wěn)態(tài)下進行，輸出功率最高可達3kW，功率限制是由于EVAL - 3K3W_BIDI_PSFB在升壓模式下的熱限制。

6.2 逆變器模式負載變化

在逆變器模式下，評估板表現(xiàn)為連接在大容量電壓和交流電網(wǎng)兩個電壓源之間的電流源。當接收到新的功率命令時，功率會按照斜坡變化。

6.3 電力線干擾和AC電壓變化

• 逆變器模式LCDO：由于DC - DC級控制大容量電壓，當檢測到交流電壓損失（交流接近零超過2ms）時，逆變器準備在電壓恢復時進行軟啟動操作。
• 電壓驟降和AC電壓變化：當AC電壓低于指定限制時，逆變器停止操作并打開NTC繼電器，在AC電壓恢復到標稱范圍后，經(jīng)過定義的時間，逆變器將軟啟動恢復操作。若AC電壓超出范圍的時間短于100ms，逆變器在AC電壓恢復時可能會瞬間要求更高的電流，可能觸發(fā)DC - DC級的過流保護（OCP）。

7. 熱測量

評估板未配備外殼，采用低功率風扇附著在主散熱器上的散熱方案，PFC扼流圈位于散熱器后面并接收風扇的氣流。熱測量結果表明，特別是在交流電壓范圍的較低部分，評估板的熱點是PFC扼流圈。由于PFC扼流圈的設計特點，散熱可能是一個挑戰(zhàn)，在最終應用中可能需要在封閉環(huán)境中使用更強大的風扇。

8. 總結

EVAL_3K3W_TP_PFC_SIC2評估板為無橋圖騰柱PFC提供了一種高效、高功率密度的系統(tǒng)解決方案。通過英飛凌的寬禁帶開關和數(shù)字控制技術，實現(xiàn)了高達99.2%的峰值效率和73W/in3的功率密度。評估板在PFC和逆變器操作中均表現(xiàn)出良好的性能，能夠應對電力線干擾和動態(tài)負載條件。然而，目前軟件版本不支持動態(tài)改變操作模式，在實際應用中需要根據(jù)需求進行選擇。同時，熱管理方面需要進一步優(yōu)化，以確保在不同工況下的穩(wěn)定運行。

各位電子工程師們，你們在實際設計中是否遇到過類似的問題？對于這種雙向圖騰柱PFC評估板的應用，你們有什么獨特的見解和經(jīng)驗呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。