HP1010–全球首款专用图腾柱PFC数字控制器

描述

鉴于世界面临的所有挑战和不确定性,有一件事是肯定的——我们团结一致,建设一个更绿色的星球。在脱碳的倡议下,全球市场参与者和 80 PLUS Titanium 等更高效率标准正在推动电力行业向具有更高功率密度的高效解决方案迈进。随着多年的技术进步,设计紧凑高效的功率因数校正 (PFC) 电源一直是一项复杂但易于管理的挑战。PFC性能已经有很长一段时间了,直到第三代功率半导体器件(氮化镓、氮化镓和碳化硅、碳化硅)的普及。此后,图腾柱无桥PFC(TPPFC)的美感得到充分释放。 

与传统的桥接PFC拓扑相比,TPPFC具有三个优点。首先,由于该拓扑结构中未采用整流桥,因此具有较少的元件数量,因此它可实现更高的功率密度。此外,这种简化的电路进一步提高了系统效率,特别适用于低电压输入的情况。此外,氮化镓场效应管的适配不仅可以进一步提高效率,还可以为更高功率应用提供恒流模式(CCM)PFC。 

然而,所有这些好处都是有代价的。由于没有桥式整流器,输入交流电压直接施加到该拓扑结构中的开关晶体管上。因此,TPPFC电路往往容易受到异常情况的影响。例如,浪涌、交流电压暂时缺失、PCB 噪声等。这正是工程师们不愿参与这项艰巨任务的原因。 

为了在不危及系统稳健性的情况下获得收益,慧能泰半导体推出了 HP1010,这是首款用于图腾柱拓扑应用的专用 PFC 控制器。实时控制和高可靠性由快速状态机和高性能模拟前端无缝编排。逐周期电流限制 (CBC) 可有效防止由异常功率波动引起的过流问题。浪涌保护器可以快速关断慢速同步整流器,当交流线路的相反极性发生冲击时,这对于系统的稳定性和可靠性尤为重要。此外,HP1010 还提供丰富的可编程保护功能,这意味着更大的灵活性和独特的设计。例如,输入和输出的过压/欠压保护、开路保护等等,可以根据您的喜好独立配置或禁用。 

HP1010 具有智能开关模式(CCM、DCM 和突发模式),可适应不同的负载条件,实现良好的轻负载效率。频率抖动有效改善了TPPFC电力系统的电磁干扰(EMI)。最重要的是,使用 HP1010 进行设计从未如此简单。为了满足您的设计要求并加快产品上市时间,用户友好的图形用户界面 (GUI) 软件已准备好从慧能泰网站下载。 

 

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图 1:HP1010 引脚和封装。

作为业界首创,HP1010 适用于各种电源系统,包括云计算/数据中心、AI、5G/电信、工业、超高密度 (UHD) 电源等。 

HP1010 的主要特点:

  • 高度灵活的数字PWM,可选频率范围为20 kHz至200 kHz 
  • 25 MHz ADC位于高性能模拟前端 
  • 精密的数字控制回路 
  • 交流过零点处的平滑电流 
  • 频率抖动以获得更好的 EMI 
  • 多模操作(CCM、DCM 和突发模式) 
  • 快速环路响应 
  • 高压直流输入 
  • RMS 功率测量 
  • 智能继电器和浪涌电流控制 
  • X电容放电
  • 全面的故障保护 
  • 低功耗,睡眠模式下的电源电流低至 1mA 
  • I 2C 和 UART 通过 GUI 接口 
  • 4 mm x 4 mm QFN-24L 封装,图 1 

高集成度:简单但不简单

HP1010 采用 4 mm x 4 mm QFN-24L 封装,与高速 ADC、比较器和其他模拟前端组件一致。外围电路以紧凑的外形尺寸进行简化,占用较小的PCB面积,节省电路板空间并降低BOM成本。 

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图 2:HP1010 的典型应用电路。

高效:拒绝浪费

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图3:600W图腾柱PFC评估板的效率曲线。

HP1010 在 600 瓦参考 d e 符号中表现出 99% 的峰值效率。  

慧能泰专利技术:无可比拟的专业知识

新颖的电流检测是通过应用于该拓扑的快速支路的一对电流互感器实现的。一旦在多个帐户上触发 CBC,HP1010 即可灵活地关闭、自动重置或关闭电源,然后重新启动系统。此类配置和实时调试可以通过图 4 中的图形用户界面 (GUI) 完成。 

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图 4:HP1010 图形用户界面

在过零点时可编程开环软启动:

在图腾柱拓扑结构的慢速支路上,功率 FET 的寄生电容因供应商而异。可以自定义零转换期间PWM脉冲的数量和宽度,以优化开关节点上的放电过程。 

同样,这种设计灵活性也适用于不同继电器的不相等延迟时间,最终产生更安全、更高效的系统。 

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图 5:平滑的交流过零控制。

当交流输入下降时,避免反向电流:

得益于高速交流电压前馈,占空比可跟踪交流输入的实时变化。当检测到输入电压下降时,HP1010 会立即关闭 Totem-Pole PFC 的快速同步整流器,从而有效防止反向电流。测量结果如图6所示。 

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图 6:(左)电源电压连续下降 45 度持续 2 MS;(右)电源电压在 0 度处连续下降 10 毫秒。

雷:

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图7:正半周期负雷击。

雷击会给系统带来尖锐的尖峰,无论是与交流电压同相还是异相。控制器必须能够快速检测输入电压的极性并进行相应调整。否则,很容易损坏后续电路。HP1010 在这个问题上表现出了出色的性能,快速雷电检测,然后立即关闭功率 FET,如图 7 和图 8 所示。 


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图 8:负半周期正雷击。

PF 和 THD 测试:

图 9 和图 10 分别 显示了 HP1010 在 110 Vac 和 230 Vac 输入下的 PF 和 THD 测量结果。这两个参数都取得了相当不错的性能。 

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图 9:600W 评估板的 PF 曲线。

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图 10:600W 评估板的 THD 曲线。

下面列出了此600 W评估板的详细信息: 

  • 输入电压范围:90 VAC ~ 264 VAC 
  • 输出电压:400 VDC 
  • 输出功率: 600 W 
  • 典型效率:98.7%
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图 11:使用 HP1010 的 600W 评估板。

作为整体解决方案的一部分,HP3600 是慧能泰 HySwitch® 系列的双通道隔离式栅极驱动器。与 HP1010 搭配使用,图腾柱系统触手可及。 

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图 12:HP3600 引脚定义和封装图。

HP3600 具有 4 A/6 A 拉电流和灌电流的强大驱动能力。150 kV/μs 共模瞬态抗扰度 (CMTI) 和 48 ns 传播延迟确保了安全快速的驱动性能。VDDA/VDDB 支持高达 33 V 的电压,VDDI 可在 3 V 至 18 V 的宽输入范围内工作,适用于模拟或数字控制器接口。所有电源引脚均具有阈值为 3V 的欠压锁定 (UVLO) 保护,非常适合 GaN MOSFET 的隔离式应用。 

整体解决方案(HP1010+HP3600)代表了慧能泰创新的一个里程碑。构建绿色未来,慧能泰相信IC-Intelligence和IC-Energetic。慧能泰将推出更多节能产品,为碳中和和绿色经济发展做出贡献。 

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