5kW 交錯(cuò)圖騰柱 PFC 評(píng)估板深度解析

在當(dāng)今電力電子領(lǐng)域，隨著電氣設(shè)備的廣泛應(yīng)用，對(duì)電源的效率和性能要求越來(lái)越高。功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)作為提高電源效率、減少電網(wǎng)諧波污染的關(guān)鍵技術(shù)，受到了越來(lái)越多的關(guān)注。今天我們就來(lái)深入了解一下英飛凌的 EVAL - 1EDSIC - PFC - 5KW 評(píng)估板，這是一款針對(duì) 5kW 交錯(cuò)圖騰柱 PFC 的完整系統(tǒng)解決方案。

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一、引言：PFC 技術(shù)的重要性與發(fā)展

隨著電動(dòng)汽車(chē)、可再生能源系統(tǒng)和節(jié)能電器等設(shè)備的普及，電網(wǎng)的畸變問(wèn)題日益嚴(yán)重，這對(duì)電力分配網(wǎng)絡(luò)造成了很大的壓力。為了應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題，電源設(shè)計(jì)需要先進(jìn)的 PFC 電路來(lái)滿足嚴(yán)格的功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

傳統(tǒng)的 PFC 拓?fù)湓谛阅芎托噬洗嬖谝欢ǖ木窒扌裕鴮拵叮╓BG）半導(dǎo)體（如 GaN 和 SiC）的出現(xiàn)，為 PFC 技術(shù)帶來(lái)了革命性的變化。交錯(cuò)圖騰柱 PFC 等先進(jìn)拓?fù)鋺?yīng)運(yùn)而生，它們?cè)谛阅?、效率和可靠性方面都有了顯著提升。

交錯(cuò)技術(shù)在 PFC 設(shè)計(jì)中的重要性

交錯(cuò)技術(shù)在 PFC 圖騰柱設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用。通過(guò)將多個(gè)圖騰柱階段交錯(cuò)排列，并在它們之間設(shè)置相移，可以有效地減少輸入和輸出紋波電流。這帶來(lái)了諸多好處：

1. 提高功率因數(shù)：減少了電網(wǎng)的畸變，使電源系統(tǒng)更加穩(wěn)定。
2. 降低紋波電流：提高了系統(tǒng)的可靠性和效率，減少了對(duì)濾波元件的要求。
3. 增加功率密度：適用于高功率應(yīng)用，使電源設(shè)計(jì)更加緊湊。
4. 改善熱性能：降低了散熱要求，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

1ED2127 柵極驅(qū)動(dòng)器 OCP 保護(hù)的價(jià)值

EVAL - 1EDSIC - PFC - 5KW 板具有硬件過(guò)流保護(hù)（OCP）功能，這一功能不依賴于微控制器（MCU），是確保系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵安全措施。

與傳統(tǒng)的交錯(cuò)升壓 PFC 拓?fù)洳煌?，交錯(cuò)圖騰柱 PFC 拓?fù)溆酶邆?cè)開(kāi)關(guān)取代了二極管，雖然提高了系統(tǒng)的性能和效率，但也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。在這種拓?fù)渲?，高?cè)開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)變得尤為重要。

1ED21271S65F 單通道 650V SOI 驅(qū)動(dòng)器能夠提供獨(dú)立于柵極驅(qū)動(dòng)器 GND 參考的保護(hù)，在橋路發(fā)生短路時(shí)能夠觸發(fā)高側(cè)開(kāi)關(guān)的輸出復(fù)位。這一功能確保了系統(tǒng)在各種故障情況下的安全性和穩(wěn)定性。

二、EVAL - 1EDSIC - PFC - 5KW 評(píng)估板介紹

板卡概述

EVAL - 1EDSIC - PFC - 5KW 評(píng)估板的設(shè)計(jì)旨在滿足現(xiàn)代應(yīng)用對(duì)電源高效率的需求。測(cè)試結(jié)果顯示，在 230VAC 半載條件下，其效率可達(dá) 98.7%。

該板的整體尺寸為 218mm x 170mm x 60mm，功率密度為 36 W/in3，具有較高的集成度和功率密度。

主要組件

1. 驅(qū)動(dòng)器：
   • 單通道驅(qū)動(dòng)器 1ED21271S65F 用于驅(qū)動(dòng) PFC 高、低側(cè)的 CoolSiC? 功率開(kāi)關(guān)。
   • 高、低側(cè)驅(qū)動(dòng)器 2ED2182S06F 用于驅(qū)動(dòng) PFC 高、低側(cè)的 CoolMOS? 功率開(kāi)關(guān)。
2. 功率開(kāi)關(guān)：
   • 650V CoolSiC? MOSFET IMBG65R022M1H，具有低導(dǎo)通電阻和快速開(kāi)關(guān)特性，適用于高頻應(yīng)用。
   • 600V CoolMOS? S7 SJ MOSFET IPQC60R010S7，低導(dǎo)通電阻，可降低導(dǎo)通損耗。
3. 控制器：XMC? 4200 Arm? Cortex? - M4 處理器核心用于 PFC 控制，提供了先進(jìn)的控制功能。
4. 偏置電源：ICE2QR2280G 用于偏置電源實(shí)現(xiàn)，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。

板卡結(jié)構(gòu)

該評(píng)估板由多個(gè)子板垂直插入主板組成。主板上配備了總線電容器、AC EMI 濾波器、電流傳感器和兩個(gè)負(fù)載電感器。

PFC 階段位于板卡的中央部分，AC 連接器位于最左側(cè)，旁邊是單級(jí) EMI 濾波器，隨后是兩個(gè) PFC 扼流圈，分別用于每個(gè)高頻橋。專用的控制器板位于 AC 輸入的右側(cè)，用于驅(qū)動(dòng)交錯(cuò)圖騰柱 AC - DC 轉(zhuǎn)換器。

板卡的中間部分有三個(gè)主要子板，垂直于風(fēng)扇氣流，實(shí)現(xiàn)了交錯(cuò)圖騰柱 PFC 階段。這種設(shè)計(jì)確保了最佳性能，并通過(guò)合理布局關(guān)鍵組件，減少了熱問(wèn)題。此外，輔助電源子板位于風(fēng)扇的右側(cè)，后面是一系列 DCBUS 電容器。

三、系統(tǒng)和功能描述

功能框圖概述

EVAL - 1EDSIC - PFC - 5KW 演示板的簡(jiǎn)化電路圖顯示，PFC 階段由兩個(gè)高頻橋和一個(gè)返回路徑板組成。

在兩個(gè)高頻橋（65kHz）中，使用了 22 mΩ 650V CoolSiC?（IMBG65R022M1H）功率開(kāi)關(guān)，由單通道 650V 4A 1ED21271S65F 柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。在返回路徑板（低頻橋，50/60Hz）中，使用了 10 mΩ 600V CoolMOS? S7（IPQC60R010S7）功率開(kāi)關(guān)，由 600V 2.5A 2ED2182S06F 高、低側(cè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。

XMC? 4200 微控制器用于 PFC 控制實(shí)現(xiàn)，ICE2QR2280G 準(zhǔn)諧振 CoolSET? 帶有集成的 800V CoolMOS? SJ MOSFET，用于輔助電源供應(yīng)。

該評(píng)估板可以在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下，以 65kHz 的開(kāi)關(guān)頻率，接受 74V AC 至 264V AC 的交流電壓輸入。大容量電容的設(shè)計(jì)滿足了滿載條件下 10ms 的保持時(shí)間要求。

固件控制和保護(hù)總結(jié)

1. 電流環(huán)路保護(hù)（OCP）：這是一級(jí)過(guò)流保護(hù)，通過(guò)固件實(shí)現(xiàn)，設(shè)定值為 40A。它主要用于保護(hù)控制電流環(huán)路，確保系統(tǒng)在安全穩(wěn)定的電流范圍內(nèi)運(yùn)行。電流讀數(shù)由主板上的霍爾傳感器完成。
2. 欠壓保護(hù)（UVP）：設(shè)定值為 300V。當(dāng)發(fā)生電源線干擾，DCBUS 電壓低于此值時(shí)，MCU 會(huì)將系統(tǒng)置于安全狀態(tài)。
3. 過(guò)壓保護(hù)（OVP）或輸出電壓控制環(huán)路：設(shè)定值為 450V，用于防止輸出電壓過(guò)高，保護(hù)系統(tǒng)組件。
4. 故障管理：
   • 溫度保護(hù)：每個(gè)橋路中都有一個(gè) PTC 電阻，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)激活開(kāi)關(guān) IRLML2030，拉低 RFE 信號(hào)，立即禁用輸出。同時(shí)，RFE 信號(hào)會(huì)被發(fā)送給 MCU，由 MCU 處理故障。
   • OCP：1ED21271 提供二級(jí)過(guò)流保護(hù)，硬件機(jī)制設(shè)定值為 50A。當(dāng)橋路發(fā)生有效短路時(shí)，該保護(hù)會(huì)及時(shí)介入。
   • UVLO（欠壓鎖定）：1ED21271 為 VCC（邏輯和低側(cè)電路）電源和 VBS（高側(cè)電路）電源提供欠壓鎖定保護(hù)。

1ED2127 過(guò)流保護(hù)

每個(gè)高頻橋由單通道驅(qū)動(dòng)器 1ED21271S65F 驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)器配備了過(guò)流保護(hù)功能（CS 輸入引腳）。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)去飽和檢測(cè)電路檢測(cè)到過(guò)流事件時(shí)，輸出將被關(guān)閉，RFE 引腳被拉至 COM，從而保護(hù) CoolSiC? 開(kāi)關(guān)在各種短路事件中不受損壞。

通過(guò) CS 引腳和功率開(kāi)關(guān)漏極之間的外部電阻電路，可以間接檢測(cè)功率開(kāi)關(guān)的飽和狀態(tài)。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)橋處于飽和區(qū)域時(shí)，CS 閾值將被達(dá)到，1ED21271S65F 會(huì)關(guān)閉輸出，并觸發(fā) FLT 信號(hào)給微控制器，使系統(tǒng)進(jìn)入安全狀態(tài)。

電源供應(yīng)描述

1. 輔助電源子板：位于總線電容器和高頻橋之間，用于進(jìn)行 AC - DC 轉(zhuǎn)換，生成 24V 和 5V 電壓。反激電路采用了 ICE2QR2280G 準(zhǔn)諧振 CoolSET?，帶有集成的 800V CoolMOS? SJ MOSFET。
2. 高頻橋電源：在每個(gè)高頻橋板中，24V 電源被轉(zhuǎn)換為 18V，為單通道柵極驅(qū)動(dòng)器 1ED21271S65F 提供合適的電壓，該驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng) CoolSiC? IMBG65R022M1H。高側(cè)電源通過(guò)自舉方式生成，低側(cè)電源通過(guò)將初級(jí)電源 VCC 18V 短路到 VB 獲得。
3. 返回路徑板電源：返回路徑板（低頻橋）中，來(lái)自輔助電源子板反激電路的 24V 輸出被轉(zhuǎn)換為 15V，為半橋驅(qū)動(dòng)器 2ED2182S06F 供電，該驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng) CoolMOS? IPQC60R010S7。
4. 其他電源：輔助電源子板還提供 3.3V 電壓，用于上拉 1ED21271S65F 的 FLT 信號(hào)，并為每個(gè)開(kāi)關(guān)支路的溫度保護(hù)電路供電。

浪涌電流電路

浪涌電流電路對(duì)于防止組件損壞和確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行至關(guān)重要。在 EVAL PFC 5KW 1EDSIC 中，25ohm PTC（R3）和繼電器（K1）是浪涌電流電路的關(guān)鍵元件。

軟啟動(dòng)過(guò)程如下：在初始狀態(tài)下，MCU 監(jiān)控 DC 總線電壓，當(dāng)電壓在一定時(shí)間內(nèi)大于 129V 時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入 STB 狀態(tài)。然后，MCU 檢查 VAC 是否大于閾值（約 74V），如果是，則進(jìn)入 STB_BOP 狀態(tài)，并切換繼電器（K1），旁路 PTC（R3）。

需要注意的是，在軟啟動(dòng)前不要連接重負(fù)載，否則可能導(dǎo)致啟動(dòng)失敗。因?yàn)橹刎?fù)載意味著低電阻，會(huì)使 VDC 上的電壓過(guò)低，無(wú)法達(dá)到代碼中的啟動(dòng)閾值。

四、數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)

圖騰柱 CCM PFC 數(shù)字控制的信號(hào)調(diào)理

EVAL - 1EDSIC - PFC - 5KW 的交錯(cuò) PFC 實(shí)現(xiàn)了帶占空比前饋（DFF）的 CCM 平均電流模式控制。與傳統(tǒng) PFC 不同，在無(wú)橋圖騰柱 PFC 轉(zhuǎn)換器中，電感電流有正有負(fù)。

為了測(cè)量電感電流，需要進(jìn)行隔離或共模抑制?；魻栃?yīng)傳感器是一種很好的解決方案，其輸出與 ADC 輸入匹配良好。當(dāng)使用具有適當(dāng)帶寬的傳感器時(shí)，還可以檢測(cè)高頻紋波，并用于峰值電流限制。

對(duì)于母線電壓檢測(cè)，采用簡(jiǎn)單的電阻分壓即可。對(duì)于交流電壓檢測(cè)，為了避免在交流過(guò)零且 PFC 中無(wú)電流流動(dòng)時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，需要同時(shí)檢測(cè)兩條線路相對(duì)于地的電壓，然后相加。由于總交流檢測(cè)信號(hào)是整流的，通過(guò)比較兩條線路和中性線的檢測(cè)電壓可以得到極性信號(hào)。

在所選的平均電流模式結(jié)構(gòu)中，交流電壓用于生成電流參考，電流參考是一個(gè)全波整流的正弦序列。然而，經(jīng)過(guò) ADC 后的電流檢測(cè)信號(hào)是一個(gè)帶有偏移的正弦序列，因此需要先去除偏移，然后根據(jù)交流極性信號(hào)進(jìn)行整流。這些步驟以及額外的增益調(diào)整由 XMC? 控制器中的軟件實(shí)現(xiàn)。

五、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

原理圖

文檔中提供了詳細(xì)的原理圖，包括主板的 AC 輸入 EMI 濾波器、PFC 電流傳感、各個(gè)子板的連接器以及控制器卡和輔助子板的原理圖。這些原理圖為工程師進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試提供了重要的參考。

布局

布局設(shè)計(jì)對(duì)于系統(tǒng)的性能和可靠性至關(guān)重要。文檔中展示了主板、控制器卡、輔助子板、高頻橋和返回路徑板的 TOP 和 BOTTOM PCB 布局圖。合理的布局可以減少電磁干擾、降低熱阻，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。

物料清單

完整的物料清單可以在英飛凌主頁(yè)的下載部分獲取，需要登錄才能下載。文檔中列出了主板、輔助電源、控制器卡、高頻橋和返回路徑板的物料清單，包括元件的數(shù)量、型號(hào)、值和制造商等信息。

連接器詳情

文檔中還提供了連接器的詳細(xì)信息，包括各個(gè)連接器的引腳標(biāo)簽和功能，方便工程師進(jìn)行系統(tǒng)的連接和調(diào)試。

六、系統(tǒng)性能

測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果顯示，由于生產(chǎn)差異和測(cè)量設(shè)置的影響，效率可能會(huì)有±0.2%的變化。文檔中提供了不同交流電壓下的效率、功率因數(shù)和總諧波失真（THD）曲線，以及穩(wěn)態(tài)波形圖。這些結(jié)果表明，EVAL - 1EDSIC - PFC - 5KW 評(píng)估板在不同負(fù)載和電壓條件下都具有良好的性能。

熱測(cè)量

熱測(cè)量結(jié)果顯示，在 100%負(fù)載和 180V 輸入電壓的情況下，經(jīng)過(guò) 30 分鐘的預(yù)熱后，電感溫度達(dá)到 50°C，CoolSiC? 達(dá)到 60.3°C（環(huán)境溫度為 29°C）。在 60%負(fù)載（3kW）和 27°C 環(huán)境溫度下，電感溫度達(dá)到 42.5°C，CoolSiC? 達(dá)到 46.8°C。這些結(jié)果說(shuō)明該評(píng)估板在熱管理方面表現(xiàn)良好。

七、應(yīng)用示例：熱泵作為脫碳關(guān)鍵技術(shù)

熱泵作為一種可以提供加熱和冷卻功能而無(wú)需燃燒化石燃料的技術(shù)，正在成為脫碳的關(guān)鍵技術(shù)之一。熱泵需要穩(wěn)定高效的電源供應(yīng)，而 PFC 技術(shù)可以確保熱泵的電源供應(yīng)高效可靠，對(duì)于維持穩(wěn)定高效的電網(wǎng)至關(guān)重要。

EVAL - 1EDSIC - PFC - 5KW 評(píng)估板采用了 AC - DC 無(wú)橋交錯(cuò)圖騰柱拓?fù)?，適用于對(duì)效率要求極高的應(yīng)用。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少了元件數(shù)量，充分利用了 PFC 電感器和開(kāi)關(guān)。

總結(jié)

英飛凌的 EVAL - 1EDSIC - PFC - 5KW 評(píng)估板是一款高性能、高效率的 5kW 交錯(cuò)圖騰柱 PFC 解決方案。它采用了先進(jìn)的 WBG 半導(dǎo)體技術(shù)和交錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有良好的性能、可靠性和熱管理能力。通過(guò)詳細(xì)的文檔和豐富的測(cè)試數(shù)據(jù)，工程師可以方便地進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試和優(yōu)化。在未來(lái)的電源設(shè)計(jì)中，這款評(píng)估板有望為實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源供應(yīng)提供有力的支持。你對(duì)英飛凌的這款評(píng)估板有什么看法呢？你在實(shí)際設(shè)計(jì)中遇到過(guò)哪些類似的問(wèn)題？歡迎在評(píng)論區(qū)留言討論。