5kW 交錯圖騰柱 PFC 評估板深度解析

在當今電力電子領域，隨著電氣設備的廣泛應用，對電源的效率和性能要求越來越高。功率因數(shù)校正（PFC）技術作為提高電源效率、減少電網(wǎng)諧波污染的關鍵技術，受到了越來越多的關注。今天我們就來深入了解一下英飛凌的 EVAL - 1EDSIC - PFC - 5KW 評估板，這是一款針對 5kW 交錯圖騰柱 PFC 的完整系統(tǒng)解決方案。

文件下載：Infineon Technologies EVAL1EDSICPFC5KWTOBO1 評估板.pdf

一、引言：PFC 技術的重要性與發(fā)展

隨著電動汽車、可再生能源系統(tǒng)和節(jié)能電器等設備的普及，電網(wǎng)的畸變問題日益嚴重，這對電力分配網(wǎng)絡造成了很大的壓力。為了應對這些問題，電源設計需要先進的 PFC 電路來滿足嚴格的功率因數(shù)標準。

傳統(tǒng)的 PFC 拓撲在性能和效率上存在一定的局限性，而寬帶隙（WBG）半導體（如 GaN 和 SiC）的出現(xiàn)，為 PFC 技術帶來了革命性的變化。交錯圖騰柱 PFC 等先進拓撲應運而生，它們在性能、效率和可靠性方面都有了顯著提升。

交錯技術在 PFC 設計中的重要性

交錯技術在 PFC 圖騰柱設計中起著至關重要的作用。通過將多個圖騰柱階段交錯排列，并在它們之間設置相移，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，減少了對濾波元件的要求。
3. 增加功率密度：適用于高功率應用，使電源設計更加緊湊。
4. 改善熱性能：降低了散熱要求，延長了設備的使用壽命。

1ED2127 柵極驅動器 OCP 保護的價值

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

與傳統(tǒng)的交錯升壓 PFC 拓撲不同，交錯圖騰柱 PFC 拓撲用高側開關取代了二極管，雖然提高了系統(tǒng)的性能和效率，但也增加了系統(tǒng)的復雜性。在這種拓撲中，高側開關的驅動和保護變得尤為重要。

1ED21271S65F 單通道 650V SOI 驅動器能夠提供獨立于柵極驅動器 GND 參考的保護，在橋路發(fā)生短路時能夠觸發(fā)高側開關的輸出復位。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 評估板介紹

板卡概述

EVAL - 1EDSIC - PFC - 5KW 評估板的設計旨在滿足現(xiàn)代應用對電源高效率的需求。測試結果顯示，在 230VAC 半載條件下，其效率可達 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. 驅動器：
   • 單通道驅動器 1ED21271S65F 用于驅動 PFC 高、低側的 CoolSiC? 功率開關。
   • 高、低側驅動器 2ED2182S06F 用于驅動 PFC 高、低側的 CoolMOS? 功率開關。
2. 功率開關：
   • 650V CoolSiC? MOSFET IMBG65R022M1H，具有低導通電阻和快速開關特性，適用于高頻應用。
   • 600V CoolMOS? S7 SJ MOSFET IPQC60R010S7，低導通電阻，可降低導通損耗。
3. 控制器：XMC? 4200 Arm? Cortex? - M4 處理器核心用于 PFC 控制，提供了先進的控制功能。
4. 偏置電源：ICE2QR2280G 用于偏置電源實現(xiàn)，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。

板卡結構

該評估板由多個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、電流傳感器和兩個負載電感器。

PFC 階段位于板卡的中央部分，AC 連接器位于最左側，旁邊是單級 EMI 濾波器，隨后是兩個 PFC 扼流圈，分別用于每個高頻橋。專用的控制器板位于 AC 輸入的右側，用于驅動交錯圖騰柱 AC - DC 轉換器。

板卡的中間部分有三個主要子板，垂直于風扇氣流，實現(xiàn)了交錯圖騰柱 PFC 階段。這種設計確保了最佳性能，并通過合理布局關鍵組件，減少了熱問題。此外，輔助電源子板位于風扇的右側，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 階段由兩個高頻橋和一個返回路徑板組成。

在兩個高頻橋（65kHz）中，使用了 22 mΩ 650V CoolSiC?（IMBG65R022M1H）功率開關，由單通道 650V 4A 1ED21271S65F 柵極驅動器驅動。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，由 600V 2.5A 2ED2182S06F 高、低側驅動器驅動。

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

該評估板可以在連續(xù)導通模式（CCM）下，以 65kHz 的開關頻率，接受 74V AC 至 264V AC 的交流電壓輸入。大容量電容的設計滿足了滿載條件下 10ms 的保持時間要求。

固件控制和保護總結

1. 電流環(huán)路保護（OCP）：這是一級過流保護，通過固件實現(xiàn)，設定值為 40A。它主要用于保護控制電流環(huán)路，確保系統(tǒng)在安全穩(wěn)定的電流范圍內運行。電流讀數(shù)由主板上的霍爾傳感器完成。
2. 欠壓保護（UVP）：設定值為 300V。當發(fā)生電源線干擾，DCBUS 電壓低于此值時，MCU 會將系統(tǒng)置于安全狀態(tài)。
3. 過壓保護（OVP）或輸出電壓控制環(huán)路：設定值為 450V，用于防止輸出電壓過高，保護系統(tǒng)組件。
4. 故障管理：
   • 溫度保護：每個橋路中都有一個 PTC 電阻，當溫度過高時，會激活開關 IRLML2030，拉低 RFE 信號，立即禁用輸出。同時，RFE 信號會被發(fā)送給 MCU，由 MCU 處理故障。
   • OCP：1ED21271 提供二級過流保護，硬件機制設定值為 50A。當橋路發(fā)生有效短路時，該保護會及時介入。
   • UVLO（欠壓鎖定）：1ED21271 為 VCC（邏輯和低側電路）電源和 VBS（高側電路）電源提供欠壓鎖定保護。

1ED2127 過流保護

每個高頻橋由單通道驅動器 1ED21271S65F 驅動，該驅動器配備了過流保護功能（CS 輸入引腳）。當驅動器通過去飽和檢測電路檢測到過流事件時，輸出將被關閉，RFE 引腳被拉至 COM，從而保護 CoolSiC? 開關在各種短路事件中不受損壞。

通過 CS 引腳和功率開關漏極之間的外部電阻電路，可以間接檢測功率開關的飽和狀態(tài)。當功率開關橋處于飽和區(qū)域時，CS 閾值將被達到，1ED21271S65F 會關閉輸出，并觸發(fā) FLT 信號給微控制器，使系統(tǒng)進入安全狀態(tài)。

電源供應描述

1. 輔助電源子板：位于總線電容器和高頻橋之間，用于進行 AC - DC 轉換，生成 24V 和 5V 電壓。反激電路采用了 ICE2QR2280G 準諧振 CoolSET?，帶有集成的 800V CoolMOS? SJ MOSFET。
2. 高頻橋電源：在每個高頻橋板中，24V 電源被轉換為 18V，為單通道柵極驅動器 1ED21271S65F 提供合適的電壓，該驅動器驅動 CoolSiC? IMBG65R022M1H。高側電源通過自舉方式生成，低側電源通過將初級電源 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 輸出被轉換為 15V，為半橋驅動器 2ED2182S06F 供電，該驅動器驅動 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，并為每個開關支路的溫度保護電路供電。

浪涌電流電路

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

軟啟動過程如下：在初始狀態(tài)下，MCU 監(jiān)控 DC 總線電壓，當電壓在一定時間內大于 129V 時，系統(tǒng)進入 STB 狀態(tài)。然后，MCU 檢查 VAC 是否大于閾值（約 74V），如果是，則進入 STB_BOP 狀態(tài)，并切換繼電器（K1），旁路 PTC（R3）。

需要注意的是，在軟啟動前不要連接重負載，否則可能導致啟動失敗。因為重負載意味著低電阻，會使 VDC 上的電壓過低，無法達到代碼中的啟動閾值。

四、數(shù)字控制實現(xiàn)

圖騰柱 CCM PFC 數(shù)字控制的信號調理

EVAL - 1EDSIC - PFC - 5KW 的交錯 PFC 實現(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 轉換器中，電感電流有正有負。

為了測量電感電流，需要進行隔離或共模抑制。霍爾效應傳感器是一種很好的解決方案，其輸出與 ADC 輸入匹配良好。當使用具有適當帶寬的傳感器時，還可以檢測高頻紋波，并用于峰值電流限制。

對于母線電壓檢測，采用簡單的電阻分壓即可。對于交流電壓檢測，為了避免在交流過零且 PFC 中無電流流動時出現(xiàn)問題，需要同時檢測兩條線路相對于地的電壓，然后相加。由于總交流檢測信號是整流的，通過比較兩條線路和中性線的檢測電壓可以得到極性信號。

在所選的平均電流模式結構中，交流電壓用于生成電流參考，電流參考是一個全波整流的正弦序列。然而，經(jīng)過 ADC 后的電流檢測信號是一個帶有偏移的正弦序列，因此需要先去除偏移，然后根據(jù)交流極性信號進行整流。這些步驟以及額外的增益調整由 XMC? 控制器中的軟件實現(xiàn)。

五、系統(tǒng)設計

原理圖

文檔中提供了詳細的原理圖，包括主板的 AC 輸入 EMI 濾波器、PFC 電流傳感、各個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行系統(tǒng)設計和調試提供了重要的參考。

布局

布局設計對于系統(tǒng)的性能和可靠性至關重要。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、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信息，包括各個連接器的引腳標簽和功能，方便工程師進行系統(tǒng)的連接和調試。

六、系統(tǒng)性能

測試結果

測試結果顯示，由于生產(chǎn)差異和測量設置的影響，效率可能會有±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。這些結果表明，EVAL - 1EDSIC - PFC - 5KW 評估板在不同負載和電壓條件下都具有良好的性能。

熱測量

熱測量結果顯示，在 100%負載和 180V 輸入電壓的情況下，經(jīng)過 30 分鐘的預熱后，電感溫度達到 50°C，CoolSiC? 達到 60.3°C（環(huán)境溫度為 29°C）。在 60%負載（3kW）和 27°C 環(huán)境溫度下，電感溫度達到 42.5°C，CoolSiC? 達到 46.8°C。這些結果說明該評估板在熱管理方面表現(xiàn)良好。

七、應用示例：熱泵作為脫碳關鍵技術

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，正在成為脫碳的關鍵技術之一。熱泵需要穩(wěn)定高效的電源供應，而 PFC 技術可以確保熱泵的電源供應高效可靠，對于維持穩(wěn)定高效的電網(wǎng)至關重要。

EVAL - 1EDSIC - PFC - 5KW 評估板采用了 AC - DC 無橋交錯圖騰柱拓撲，適用于對效率要求極高的應用。這種拓撲結構簡單，減少了元件數(shù)量，充分利用了 PFC 電感器和開關。

總結

英飛凌的 EVAL - 1EDSIC - PFC - 5KW 評估板是一款高性能、高效率的 5kW 交錯圖騰柱 PFC 解決方案。它采用了先進的 WBG 半導體技術和交錯拓撲結構，具有良好的性能、可靠性和熱管理能力。通過詳細的文檔和豐富的測試數(shù)據(jù)，工程師可以方便地進行系統(tǒng)設計、調試和優(yōu)化。在未來的電源設計中，這款評估板有望為實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源供應提供有力的支持。你對英飛凌的這款評估板有什么看法呢？你在實際設計中遇到過哪些類似的問題？歡迎在評論區(qū)留言討論。