3300W CCM双向图腾柱PFC：高效电源解决方案

在现代电子设备的电源设计中，高效、高功率密度以及双向功率流能力变得越来越重要。今天，我们就来深入探讨一款由英飞凌科技打造的3300W CCM双向图腾柱PFC（功率因数校正）解决方案——EVAL_3K3W_TP_PFC_SIC。

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系统概述

EVAL_3K3W_TP_PFC_SIC板是一款采用英飞凌功率半导体、驱动器和微控制器的系统解决方案。它采用无桥图腾柱拓扑，适用于对效率要求极高的高端应用。图腾柱拓扑结构简单，可减少元件数量，充分利用PFC电感和开关，在高性能系统中以有限的系统成本实现高功率密度。此外，由于图腾柱拓扑固有的双向功率流能力，该板还能提供反向功率流（用于并网应用的逆变器操作）。

关键组件

• 功率半导体：使用64mΩ 650V CoolSiC™（IMZA65R048M1）作为图腾柱PFC高频开关，以及17mΩ 600V CoolMOS™ C7（IPW60R017C7）用于图腾柱PFC返回路径（低频桥）。
• 驱动器：2EDF7275F隔离栅极驱动器（EiceDRIVER™）。
• 控制器：ICE5QSAG QR反激式控制器和950V CoolMOS™ P7（IPU95R3K7P7）用于偏置辅助电源，XMC1404微控制器用于PFC控制实现。

系统详细描述

1. 电路板描述

EVAL_3K3W_TP_PFC_SIC板尺寸为208mm长、89mm宽、40mm高（1U），功率密度达到73W/in³。交流输入连接器后紧接着是两级EMI滤波器、保险丝、NTC浪涌电流限制器和输入继电器。直流输出连接器与交流连接器位于板的同一侧，靠近输出连接器处放置了单级滤波器，以确保在效率测量中正确采集输出变量。

电路板另一侧有两个子卡：偏置板和控制卡。偏置板使用QR CoolSET™控制器和950V P7 CoolMOS™开关为控制卡、驱动器、继电器和风扇供电生成所需电压。控制卡实现所需的电流、电压和极性感应，全数字控制在英飞凌XMC™微控制器中实现，负责无桥图腾柱拓扑的正常运行。

其余部分为无桥图腾柱本身，包括PFC扼流圈、大容量电容器以及由650V CoolSiC™ MOSFET和600V C7 CoolMOS™组成的桥。大容量电容的设计符合保持时间要求，TO - 247封装的半导体安装在带有风扇的散热器上，风扇向PFC扼流圈吹风。扼流圈采用高磁通EQ形状材料设计，以满足高度要求、高效率性能和高功率密度。

2. 信号调理

评估板采用CCM平均电流模式控制和占空比前馈（DFF），用于PFC和逆变器操作。与传统PFC不同，无桥图腾柱PFC转换器中的电感电流有正有负，通过与电感串联的分流电阻来感应电流。由于微控制器的ADC输入电压范围有限，需要加入偏移和增益来适应ADC输入。

在图腾柱操作中，返回路径晶体管根据交流极性在交流过零处切换。输入电压的极性根据控制参考设置，简化了极性检测，并利用XMC™控制器的内部ESD二极管保护将输入电容电压转换为数字信号。

3. 图形用户界面（GUI）

XMC™控制器包含串行通信接口（UART）和特定协议，允许计算机与微控制器通信。开发的Windows用户界面（GUI）通过XMC™ Link（UART转USB转换）与控制器通信。通过GUI可以更新两个主要参数集：图腾柱拓扑中低侧和高侧CoolSiC™开关之间的死区时间，以及逆变器操作中的功率命令。

PFC（AC - DC操作）性能

1. 性能和稳态波形

使用EVAL_3K3W_BIDI_PSFB板作为负载进行测试，测量结果符合规格要求。效率测量显示，在不同交流电压下，效率不受交流频率（50Hz/60Hz）影响，且不包括风扇消耗。总谐波失真（THD）和功率因数在不同交流电压下测量，结果差异在测量设备的精度范围内。

2. 电力线干扰

• 线路周期掉电（LCDO）：3300W图腾柱CCM PFC仅在高线运行，测试从230V到0V的LCDO能力。结果表明，无论电压掉电的起始角度如何，输出电压都在指定的动态变化范围内。如果掉电时间超过指定时间，可能触发输出电压欠压，设备将关闭并重新启动。
• 电压骤降：考虑两种不同的电压骤降条件进行测试。当电压骤降时，由于电感平均电流限制，输出电压可能无法调节到400V。如果电压低于标称范围的时间超过指定时间，PFC将关闭并在空闲时间后软启动重新启动。

3. 输出电压动态行为

• 负载瞬态响应：在PFC模式下，考虑10%负载（0.8A）到90%负载（7.4A）的阶跃变化，输出电压动态范围在375V到430V之间。当负载移除时，过冲达到440V，低于过压设置（450V），转换器能够在不中断PWM的情况下降低电压。
• 交流电压变化：输入电压变化会影响大容量电压，在正常运行范围内，大容量电压在330V到430V之间。输入电压突然增加会导致电感电流立即增加，直到电压环路和线路前馈降低电流需求。

4. 浪涌电流和PFC启动

连接到交流电源时，浪涌电流通过NTC限制。如果满足启动无桥PFC的输入和输出电压条件，在启动前通过并联继电器将NTC电阻短路。测量结果显示，浪涌电流远低于指定的30A。

逆变器（DC - AC操作）性能

1. 性能和稳态波形

逆变器在高线交流输入（最小RMS电压176V）下以65kHz开关频率运行。效率、THD、PF、交流电压范围和OCP等规格与PFC模式相同。测试结果显示，逆变器在稳态下可输出高达3kW的功率，由于EVAL - 3K3W_BIDI_PSFB在升压模式下的热限制，功率受到限制。

2. 逆变器模式负载变化

在逆变器模式下，EVAL_3K3W_TP_PFC_SIC板作为连接在大容量电压和交流电网之间的电流源。当接收到新的功率命令时，功率会按照斜坡变化。

3. 电力线干扰和交流电压变化

• 逆变器模式LCDO：当检测到交流电压损失（交流接近零超过2ms）时，逆变器准备在电压恢复时进行软启动操作，该行为与注入功率无关。
• 电压骤降和交流电压变化：当交流电压低于指定的AC电压限制时，逆变器将停止运行并打开NTC继电器。在交流电压恢复到标称范围后，经过一定时间，逆变器将软启动重新启动。如果交流电压在短时间内超出范围，逆变器可能会瞬间要求更高的电流，导致DC - DC阶段的过流保护（OCP）触发。

热测量

EVAL_3K3W_TP_PFC_SIC板没有外壳，采用低功率风扇附着在主散热器上进行散热。PFC扼流圈位于散热器后面，也能接收风扇的气流。在较低交流电压范围内，板的热点是PFC扼流圈，由于其设计的散热问题，在最终应用中可能需要更强大的风扇和封闭环境。

总结

EVAL_3K3W_TP_PFC_SIC板是一款高性能的无桥图腾柱PFC解决方案，实现了99%的峰值效率和73W/in³的功率密度。通过英飞凌的650V CoolSiC™ MOSFET和600V CoolMOS™ C7的组合，在紧凑的外形中实现了高性能。该板采用全数字控制，利用无桥图腾柱拓扑的双向功率流能力，但目前软件版本不支持动态改变功率流方向。在PFC和逆变器操作中，该板表现出良好的性能和稳定性，能够应对电力线干扰和动态负载条件。

你是否在电源设计中遇到过类似的挑战？对于这种双向图腾柱PFC解决方案，你有什么看法或疑问？欢迎在评论区分享你的想法。