找方案 | 基于Microchip dsPIC33CK256MP506 高性能DSP开发的4KW图腾柱PFC数字电源方案

随着效率要求的逐步提高，无桥PFC得到越来越多的应用。而无桥PFC中，图腾柱PFC由于可以消除二极管的损耗而成为效率最高的PFC线路, 硅管做图腾柱PFC，只能做CrM或者DCM，CCM下反向恢复损耗太大，效率没有优势。所以我们是用目前最新的GaN功率开关器件来做，设计的是CCM totem Pole PFC，PWM开关频率是66KHz，辅助电源供电12VDC，输入电压85 Vac to 270 Vac, 47Hz to 63Hz ，PFC输出电压387Vdc+/- 5 Vdc。

 

此电路中的器件少，特别是单电感，适合高功率密度、高效率的设计。在交流输入电压的正负半周内，由于工频管D1/D2一直导通，所以不论D1/D2为快恢复二极管还是慢恢复二极管，此拓扑都天然的解决了EMC问题。工频管D1/D2可以进行同步整流，从而也进一步提高了图腾柱无桥PFC的效率。

 

以前受到器件的限制，由于主开关管的体二极管的反向恢复特性较差，所以图腾柱无桥PFC只能工作在DCM，只适合中小功率的设计。要使图腾柱PFC能够工作在CCM模式，则需要用反向恢复特性极好的MOSFET，比如GaN FET、SiC FET，或者需要对图腾柱电路进行变形才可实现。实现PFC，需要采样整流后的电压信号，AC馒头波；  L>N的时候，可以正常采样；N>L的时候，N线电压将被钳位到输出电压。

 

我们主控制器

MICROCHIP DSP dsPIC33CK256MP506采样AC电压不是采整流后的电压信号，而是直接采样EMI那部分的L和N线的电压信号，为了实现高PF值，有时需要对Xcap进行一定的算法上的补偿。

 

此PFC电路可进行交错并联。交错并联可以有效的降低PFC变换器的功率密度，同时交错并联对效率的影响不大，其优点如下：

能够减小输入电流的纹波，从而减小前端EMI部分中差模电感的体积。

能够减小输出电流的纹波，减小母线电容的容量和延长母线电容的寿命。

能够减小PFC电感的体积，降低了开关器件的平均电流应力。

通过一定的相位管理，能够提高轻载时PFC电路的效率。

 

PFC的控制方式一般采用的是电流内环，电压外环的双环控制方式。电压外环被用来调整输出电压，电流内环被用来控制输入电流。我们主控制器MICROCHIP DSP dsPIC33CK256MP506内部集成的数字电源专用零极点补偿算法函数，对PFC的电压电流环进行补偿运算，省去外围很多补偿器件。

在PFC电压环控制中，软件主要关注的就是Gcv(s)--电压环的补偿函数。电压环带宽设计在10Hz左右，避免对PFC输入电流的调制作用。

在PFC电流环控制中，软件主要关注的就是Giv(s)--电流环的补偿函数，电流环带宽设计在1/10~1/20开关频率处，电流环带宽高，THD指标好。

 

PFC电路显著提高了电源模块的THD,PF等指标，改善了电网供电质量，是中大功率电源必不可少的关键电路。随着行业发展，高效高功率小体积是趋势，PFC电路扮演着越来越重要的角色。

 

►场景应用图

 

►产品实体图

 

►展示板照片

 

►方案方块图

 

►矿机电源

 

►核心技术优势

1、灵活的环路补偿算法控制：

主控制器MICROCHIP DSP dsPIC33CK256MP506内部集成的数字电源专用零极点补偿算法函数，对PFC的电压电流环进行补偿运算。

2、高速DSP运算：

Microchip 高性能数字电源专用控制器DSP工作频率为100MHz，单指令周期运行。

3、电流连续模式控制CCM：

可有利于提高PFC值。

4、高分辨率PWM驱动：

PWM分辨率为250ps，开关频率选择66KHz，以合适的开关频率提高电源转换效率，保证良好的EMI特性。

5、专用ADC内核与共享ADC模块：

 ADC转换延时仅285ns。

6、采用GaN管提高转换效率：

采用氮化镓高频化的无桥PFC后，体积大大变小，成本更有优势，大大减小了CCM模式下反向恢复损耗，效率也大大提高。

7、平滑的过零尖峰处理：

利用DSP控制零点正负半周切换时PWM启停时刻，在过零点提前关闭，在过零点延后开通。

8、支持USB通讯：

使用Microchip MCP2221，可通过USB通讯进行在线升级和数据通信。

9、MPLAB X IDE 图形化配置：

通过MPLAB X IDE 的MCC插件，以图形化配置生成各类外设模块的初始化代码和底层驱动，可极大降低软件开发难度，减轻工程师的开发负担，常规应用无需看寄存器定义即可完成开发。

 

►方案规格

输入电压：AC 85V~270V

最大功率：4KW

输入电流：18A

输出电压：387VDC +/- 5 Vdc

PWM 频率：66KHz

转换效率：99%短时过载：19.8 A (rms) (2200 W at 115 Vac, 4400 W at 230 Vac)

USB在线升级：支持(使用MCC生成代码)

环境温度：小于50℃