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校正器（PFC）提供了一種出色的系統解決方案。

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1. 系統概述

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、驅動器以及微控制器（MCU），實現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導通模式（CCM）運行，并通過英飛凌XMC? 1000系列微控制器實現全數字控制。在拓撲結構中，圖騰柱PFC轉換器前的二極管橋僅用于啟動或浪涌條件下的電流路徑，在穩態轉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，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、驅動、繼電器和風扇電源生成所需電壓。控制卡實現所需的電流、電壓和極性感應，全數字控制由英飛凌XMC? MCU實現。
• 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. 數字控制信號調理

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PFC不同，無橋圖騰柱PFC轉換器中的電感電流有正有負，通過與電感串聯的分流電阻來感測電流是一種簡單且經濟高效的方法。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 +）根據參考電流的正負而變化。

由于用于控制實現的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?的內部ESD二極管保護將輸入電容電壓轉換為數字信號。

4. 圖形用戶界面（GUI）

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

• 死區時間：可在圖騰柱拓撲中的低側和高側CoolSiC?開關之間修改死區時間，死區時間可在兩個線性區域內修改，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級發送的命令。

5. PFC（AC - DC操作）規格和測試結果

5.1 性能和穩態波形

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變化范圍內。若中斷時間超過指定時間，輸出電壓欠壓（300V）可能觸發，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節到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 輸出電壓動態行為

• 負載瞬態響應：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，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，直到電壓環和線路前饋降低電流需求，可能觸發峰值電流限制（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規格與PFC模式相同，但部分規格有所不同。

6.1 穩態波形

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。測試可在穩態下進行，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，評估板表現為連接在大容量電壓和交流電網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，在最終應用中可能需要在封閉環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、高功率密度的系統解決方案。通過英飛凌的寬禁帶開關和數字控制技術，實現了高達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出良好的性能，能夠應對電力線干擾和動態負載條件。然而，目前軟件版本不支持動態改變操作模式，在實際應用中需要根據需求進行選擇。同時，熱管理方面需要進一步優化，以確保在不同工況下的穩定運行。

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驗呢？歡迎在評論區分享交流。