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)，受到了越來越多的關(guān)注。今天我們就來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、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)這些問題，電源設(shè)計(jì)需要先進(jìn)的 PFC 電路來滿足嚴(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?，而寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體（如 GaN 和 SiC）的出現(xiàn)，為 PFC 技術(shù)帶來了革命性的變化。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)渲校邆?cè)開關(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? 功率開關(guān)。
2. 功率開關(guān)：
   • 650V CoolSiC? MOSFET IMBG65R022M1H，具有低導(dǎo)通電阻和快速開關(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，并通過合理布局關(guān)鍵組件，減少了熱問題。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)過流保護(hù)，通過固件實(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)溫度過高時(shí)，會(huì)激活開關(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)器配備了過流保護(hù)功能（CS 輸入引腳）。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器通過去飽和檢測(cè)電路檢測(cè)到過流事件時(shí)，輸出將被關(guān)閉，RFE 引腳被拉至 COM，從而保護(hù) CoolSiC? 開關(guān)在各種短路事件中不受損壞。

通過 CS 引腳和功率開關(guān)漏極之間的外部電阻電路，可以間接檢測(cè)功率開關(guān)的飽和狀態(tài)。當(dāng)功率開關(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)電源通過自舉方式生成，低側(cè)電源通過將初級(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 上的電壓過低，無法達(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)，為了避免在交流過零且 PFC 中無電流流動(dòng)時(shí)出現(xiàn)問題，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 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 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)簡單，減少了元件數(shù)量，充分利用了 PFC 電感器和開關(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)中遇到過哪些類似的問題？歡迎在評(píng)論區(qū)留言討論。