广芯微推出10KW五电平直流供电系统参考设计平台

概述

广芯微电子(广州)股份有限公司今日推出基于自主研发的高性能多功能微处理器芯片UM32G421开发的10KW五电平直流供电系统的参考设计平台。该平台以单相220V交流电为输入，输出360V-400V可调直流电压，采取自然散热方式，在10%-100%全负载范围内实现超过98%的转换效率，结合五电平拓扑带来的超低纹波与谐波特性，非常适合应用于对能效、功率密度、输出电压质量(低纹波/低谐波)和可靠性要求较高的领域，为工业4.0、绿色数据中心及新能源领域提供高性能、高效能供电解决方案。

传统多电平拓扑受限于控制复杂度与成本，难以规模化商用。本次突破性采用自研UM32G421芯片实现三大创新：

1. 五电平SiC变流拓扑：采用碳化硅五电平AC/DC 变流器，减少功率转换器的损耗，10 – 100% 负载范围内效率大于98%，电流纹波低至4A(满载46A)，iTHD<5%(50%负载起)。

2. 自适应模块化控制(AMC)：根据负载情况动态调节工作模块数量，确保整机最大效率

的同时，轻载效率也获得大幅提升。

3. 自主可控单芯片集成管理：全国产UM32G421作为主控芯片完成高效ACDC变换及AMC控制算法，同时实现多重保护(输入过流、过压、过功率、温度保护、输出过流、欠压保护)，BOM成本降低30%。

该平台的核心优势如下：

·超高效率(>98% @ 10%-100%负载)： 这是最核心的优势。适用于长时间运行、能耗成本敏感的应用，如数据中心、通信基站、照明系统、工业生产线、充电桩、储能系统。

·五电平拓扑： 输出极低的输出电压纹波和THD的高质量清洁电能。这对敏感电子设备和需要高精度控制的设备至关重要。同时也降低了EMI滤波需求，有助于提高功率密度。

·宽输出范围(360V-400V DC可调)： 适配多种需要高压直流母线的应用标准(如HVDC 380V, 工业驱动器母线)。

·宽负载范围高效率： 适应实际应用中负载波动大的场景(如数据中心服务器负载变化、工业设备启停)。

·单相220V AC输入： 部署灵活方便，适用于普通市电环境，无需三相电，适合分布式部署。

平台硬件方案介绍

在平台的直流供电系统控制模块中，主要组成部分包括主控MCU UM32G421，开关管和Gate Driver等。通过独立MCU控制，实现交流电压输入，直流电压输出。下图是该直流供电系统的拓扑结构图。

直流供电系统硬件方案示意图

主控芯片是广芯微UM32G421采用ARM Cortex-M4F内核，204MHz主频，支持浮点运算，支持DSP指令集，性能强大，集成了包括多路支持硬件移相的高精度PWM、高采样率SAR ADC、硬件坐标旋转运算协处理器、丰富的外设接口等多种资源，可在-40~125℃稳定工作，能够满足工业控制、汽车电子、新能源等多个领域的应用需求。

平台软件方案介绍

对交流网进行电压、电流采样，通过“调频移相”控制方法实时计算出需要的开关频率和移相角度，实现对输入220V/50Hz电网的交流电压、电流的精确控制，以获得高质量的直流输出电流。

直流供电系统软件方案示意图

直流供电系统平台 DEMO

下图是广芯微直流供电系统平台 DEMO板，包括主控MCU，SiC开关管、驱动器、电容等零部件。

直流供电系统DEMO板

平台功能参数及测试波形

下图是直流供电系统的效率、功率因数和电流总谐波失真曲线。由于采用了AMC控制，电源效率在大于10%负载下达到98%以上，峰值效率可达98.8%。一般情况下，效率高于98.5%。

下图是直流供电系统在0.5kW和10kW输出功率下的波形，说明直流供电系统在不同功率下进行可靠工作。

下图是直流供电系统在启动以及步长为1kW负载变化下的波形图。说明直流供电系统可以在不同的负载情况下，启动相应的功率模块数量，确保整机最大效率。

下图是直流供电系统在0.5kW和6kW以及1kW和9kW阶跃负载变化下工作波形，说明直流供电系统在大负载变化下可以保持稳定的直流输出。

应用案例

用户使用该平台开发的直流供电系统成功安装在香港某停车场，为直流照明系统供电。左下图为停车场照明系统，为了说明节能效果，同时装有直流照明灯和交流照明灯。右下图是直流照明灯和交流照明灯的能量消耗对比图。相比交流照明系统，直流照明系统可以提供稳定的供电，同时效率提高10%以上。

关于广芯微

广芯微电子(广州)股份有限公司聚焦光伏新能源、工业控制和汽车电子产业，为客户提供差异化的微处理器芯片、快充与数字电源SOC和性能卓越的无线射频芯片，并围绕这些芯片打造特色的电机控制方案平台、数字电源方案平台和低功耗无线射频方案平台。