5kW 交错图腾柱 PFC 评估板深度解析

在当今电力电子领域，随着电气设备的广泛应用，对电源的效率和性能要求越来越高。功率因数校正（PFC）技术作为提高电源效率、减少电网谐波污染的关键技术，受到了越来越多的关注。今天我们就来深入了解一下英飞凌的 EVAL - 1EDSIC - PFC - 5KW 评估板，这是一款针对 5kW 交错图腾柱 PFC 的完整系统解决方案。

文件下载：Infineon Technologies EVAL1EDSICPFC5KWTOBO1 评估板.pdf

一、引言：PFC 技术的重要性与发展

随着电动汽车、可再生能源系统和节能电器等设备的普及，电网的畸变问题日益严重，这对电力分配网络造成了很大的压力。为了应对这些问题，电源设计需要先进的 PFC 电路来满足严格的功率因数标准。

传统的 PFC 拓扑在性能和效率上存在一定的局限性，而宽带隙（WBG）半导体（如 GaN 和 SiC）的出现，为 PFC 技术带来了革命性的变化。交错图腾柱 PFC 等先进拓扑应运而生，它们在性能、效率和可靠性方面都有了显著提升。

交错技术在 PFC 设计中的重要性

交错技术在 PFC 图腾柱设计中起着至关重要的作用。通过将多个图腾柱阶段交错排列，并在它们之间设置相移，可以有效地减少输入和输出纹波电流。这带来了诸多好处：

1. 提高功率因数：减少了电网的畸变，使电源系统更加稳定。
2. 降低纹波电流：提高了系统的可靠性和效率，减少了对滤波元件的要求。
3. 增加功率密度：适用于高功率应用，使电源设计更加紧凑。
4. 改善热性能：降低了散热要求，延长了设备的使用寿命。

1ED2127 栅极驱动器 OCP 保护的价值

EVAL - 1EDSIC - PFC - 5KW 板具有硬件过流保护（OCP）功能，这一功能不依赖于微控制器（MCU），是确保系统可靠性的关键安全措施。

与传统的交错升压 PFC 拓扑不同，交错图腾柱 PFC 拓扑用高侧开关取代了二极管，虽然提高了系统的性能和效率，但也增加了系统的复杂性。在这种拓扑中，高侧开关的驱动和保护变得尤为重要。

1ED21271S65F 单通道 650V SOI 驱动器能够提供独立于栅极驱动器 GND 参考的保护，在桥路发生短路时能够触发高侧开关的输出复位。这一功能确保了系统在各种故障情况下的安全性和稳定性。

二、EVAL - 1EDSIC - PFC - 5KW 评估板介绍

板卡概述

EVAL - 1EDSIC - PFC - 5KW 评估板的设计旨在满足现代应用对电源高效率的需求。测试结果显示，在 230VAC 半载条件下，其效率可达 98.7%。

该板的整体尺寸为 218mm x 170mm x 60mm，功率密度为 36 W/in³，具有较高的集成度和功率密度。

主要组件

1. 驱动器：
   • 单通道驱动器 1ED21271S65F 用于驱动 PFC 高、低侧的 CoolSiC™ 功率开关。
   • 高、低侧驱动器 2ED2182S06F 用于驱动 PFC 高、低侧的 CoolMOS™ 功率开关。
2. 功率开关：
   • 650V CoolSiC™ MOSFET IMBG65R022M1H，具有低导通电阻和快速开关特性，适用于高频应用。
   • 600V CoolMOS™ S7 SJ MOSFET IPQC60R010S7，低导通电阻，可降低导通损耗。
3. 控制器：XMC™ 4200 Arm® Cortex® - M4 处理器核心用于 PFC 控制，提供了先进的控制功能。
4. 偏置电源：ICE2QR2280G 用于偏置电源实现，为系统提供稳定的电源。

板卡结构

该评估板由多个子板垂直插入主板组成。主板上配备了总线电容器、AC EMI 滤波器、电流传感器和两个负载电感器。

PFC 阶段位于板卡的中央部分，AC 连接器位于最左侧，旁边是单级 EMI 滤波器，随后是两个 PFC 扼流圈，分别用于每个高频桥。专用的控制器板位于 AC 输入的右侧，用于驱动交错图腾柱 AC - DC 转换器。

板卡的中间部分有三个主要子板，垂直于风扇气流，实现了交错图腾柱 PFC 阶段。这种设计确保了最佳性能，并通过合理布局关键组件，减少了热问题。此外，辅助电源子板位于风扇的右侧，后面是一系列 DCBUS 电容器。

三、系统和功能描述

功能框图概述

EVAL - 1EDSIC - PFC - 5KW 演示板的简化电路图显示，PFC 阶段由两个高频桥和一个返回路径板组成。

在两个高频桥（65kHz）中，使用了 22 mΩ 650V CoolSiC™（IMBG65R022M1H）功率开关，由单通道 650V 4A 1ED21271S65F 栅极驱动器驱动。在返回路径板（低频桥，50/60Hz）中，使用了 10 mΩ 600V CoolMOS™ S7（IPQC60R010S7）功率开关，由 600V 2.5A 2ED2182S06F 高、低侧驱动器驱动。

XMC™ 4200 微控制器用于 PFC 控制实现，ICE2QR2280G 准谐振 CoolSET™ 带有集成的 800V CoolMOS™ SJ MOSFET，用于辅助电源供应。

该评估板可以在连续导通模式（CCM）下，以 65kHz 的开关频率，接受 74V AC 至 264V AC 的交流电压输入。大容量电容的设计满足了满载条件下 10ms 的保持时间要求。

固件控制和保护总结

1. 电流环路保护（OCP）：这是一级过流保护，通过固件实现，设定值为 40A。它主要用于保护控制电流环路，确保系统在安全稳定的电流范围内运行。电流读数由主板上的霍尔传感器完成。
2. 欠压保护（UVP）：设定值为 300V。当发生电源线干扰，DCBUS 电压低于此值时，MCU 会将系统置于安全状态。
3. 过压保护（OVP）或输出电压控制环路：设定值为 450V，用于防止输出电压过高，保护系统组件。
4. 故障管理：
   • 温度保护：每个桥路中都有一个 PTC 电阻，当温度过高时，会激活开关 IRLML2030，拉低 RFE 信号，立即禁用输出。同时，RFE 信号会被发送给 MCU，由 MCU 处理故障。
   • OCP：1ED21271 提供二级过流保护，硬件机制设定值为 50A。当桥路发生有效短路时，该保护会及时介入。
   • UVLO（欠压锁定）：1ED21271 为 VCC（逻辑和低侧电路）电源和 VBS（高侧电路）电源提供欠压锁定保护。

1ED2127 过流保护

每个高频桥由单通道驱动器 1ED21271S65F 驱动，该驱动器配备了过流保护功能（CS 输入引脚）。当驱动器通过去饱和检测电路检测到过流事件时，输出将被关闭，RFE 引脚被拉至 COM，从而保护 CoolSiC™ 开关在各种短路事件中不受损坏。

通过 CS 引脚和功率开关漏极之间的外部电阻电路，可以间接检测功率开关的饱和状态。当功率开关桥处于饱和区域时，CS 阈值将被达到，1ED21271S65F 会关闭输出，并触发 FLT 信号给微控制器，使系统进入安全状态。

电源供应描述

1. 辅助电源子板：位于总线电容器和高频桥之间，用于进行 AC - DC 转换，生成 24V 和 5V 电压。反激电路采用了 ICE2QR2280G 准谐振 CoolSET™，带有集成的 800V CoolMOS™ SJ MOSFET。
2. 高频桥电源：在每个高频桥板中，24V 电源被转换为 18V，为单通道栅极驱动器 1ED21271S65F 提供合适的电压，该驱动器驱动 CoolSiC™ IMBG65R022M1H。高侧电源通过自举方式生成，低侧电源通过将初级电源 VCC 18V 短路到 VB 获得。
3. 返回路径板电源：返回路径板（低频桥）中，来自辅助电源子板反激电路的 24V 输出被转换为 15V，为半桥驱动器 2ED2182S06F 供电，该驱动器驱动 CoolMOS™ IPQC60R010S7。
4. 其他电源：辅助电源子板还提供 3.3V 电压，用于上拉 1ED21271S65F 的 FLT 信号，并为每个开关支路的温度保护电路供电。

浪涌电流电路

浪涌电流电路对于防止组件损坏和确保系统可靠运行至关重要。在 EVAL PFC 5KW 1EDSIC 中，25ohm PTC（R3）和继电器（K1）是浪涌电流电路的关键元件。

软启动过程如下：在初始状态下，MCU 监控 DC 总线电压，当电压在一定时间内大于 129V 时，系统进入 STB 状态。然后，MCU 检查 VAC 是否大于阈值（约 74V），如果是，则进入 STB_BOP 状态，并切换继电器（K1），旁路 PTC（R3）。

需要注意的是，在软启动前不要连接重负载，否则可能导致启动失败。因为重负载意味着低电阻，会使 VDC 上的电压过低，无法达到代码中的启动阈值。

四、数字控制实现

图腾柱 CCM PFC 数字控制的信号调理

EVAL - 1EDSIC - PFC - 5KW 的交错 PFC 实现了带占空比前馈（DFF）的 CCM 平均电流模式控制。与传统 PFC 不同，在无桥图腾柱 PFC 转换器中，电感电流有正有负。

为了测量电感电流，需要进行隔离或共模抑制。霍尔效应传感器是一种很好的解决方案，其输出与 ADC 输入匹配良好。当使用具有适当带宽的传感器时，还可以检测高频纹波，并用于峰值电流限制。

对于母线电压检测，采用简单的电阻分压即可。对于交流电压检测，为了避免在交流过零且 PFC 中无电流流动时出现问题，需要同时检测两条线路相对于地的电压，然后相加。由于总交流检测信号是整流的，通过比较两条线路和中性线的检测电压可以得到极性信号。

在所选的平均电流模式结构中，交流电压用于生成电流参考，电流参考是一个全波整流的正弦序列。然而，经过 ADC 后的电流检测信号是一个带有偏移的正弦序列，因此需要先去除偏移，然后根据交流极性信号进行整流。这些步骤以及额外的增益调整由 XMC™ 控制器中的软件实现。

五、系统设计

原理图

文档中提供了详细的原理图，包括主板的 AC 输入 EMI 滤波器、PFC 电流传感、各个子板的连接器以及控制器卡和辅助子板的原理图。这些原理图为工程师进行系统设计和调试提供了重要的参考。

布局

布局设计对于系统的性能和可靠性至关重要。文档中展示了主板、控制器卡、辅助子板、高频桥和返回路径板的 TOP 和 BOTTOM PCB 布局图。合理的布局可以减少电磁干扰、降低热阻，提高系统的稳定性和效率。

物料清单

完整的物料清单可以在英飞凌主页的下载部分获取，需要登录才能下载。文档中列出了主板、辅助电源、控制器卡、高频桥和返回路径板的物料清单，包括元件的数量、型号、值和制造商等信息。

连接器详情

文档中还提供了连接器的详细信息，包括各个连接器的引脚标签和功能，方便工程师进行系统的连接和调试。

六、系统性能

测试结果

测试结果显示，由于生产差异和测量设置的影响，效率可能会有±0.2%的变化。文档中提供了不同交流电压下的效率、功率因数和总谐波失真（THD）曲线，以及稳态波形图。这些结果表明，EVAL - 1EDSIC - PFC - 5KW 评估板在不同负载和电压条件下都具有良好的性能。

热测量

热测量结果显示，在 100%负载和 180V 输入电压的情况下，经过 30 分钟的预热后，电感温度达到 50°C，CoolSiC™ 达到 60.3°C（环境温度为 29°C）。在 60%负载（3kW）和 27°C 环境温度下，电感温度达到 42.5°C，CoolSiC™ 达到 46.8°C。这些结果说明该评估板在热管理方面表现良好。

七、应用示例：热泵作为脱碳关键技术

热泵作为一种可以提供加热和冷却功能而无需燃烧化石燃料的技术，正在成为脱碳的关键技术之一。热泵需要稳定高效的电源供应，而 PFC 技术可以确保热泵的电源供应高效可靠，对于维持稳定高效的电网至关重要。

EVAL - 1EDSIC - PFC - 5KW 评估板采用了 AC - DC 无桥交错图腾柱拓扑，适用于对效率要求极高的应用。这种拓扑结构简单，减少了元件数量，充分利用了 PFC 电感器和开关。

总结

英飞凌的 EVAL - 1EDSIC - PFC - 5KW 评估板是一款高性能、高效率的 5kW 交错图腾柱 PFC 解决方案。它采用了先进的 WBG 半导体技术和交错拓扑结构，具有良好的性能、可靠性和热管理能力。通过详细的文档和丰富的测试数据，工程师可以方便地进行系统设计、调试和优化。在未来的电源设计中，这款评估板有望为实现高效、稳定的电源供应提供有力的支持。你对英飞凌的这款评估板有什么看法呢？你在实际设计中遇到过哪些类似的问题？欢迎在评论区留言讨论。