EVAL_3K3W_TP_PFC_SIC2：3300W CCM双向图腾柱PFC评估板解析

在当今的电子设备设计中，对于高效、高功率密度电源的需求日益增长。特别是在高端服务器和电信设备等应用场景，对电源的性能和稳定性提出了极高的要求。今天，我们就来详细探讨英飞凌的EVAL_3K3W_TP_PFC_SIC2评估板，它为无桥图腾柱功率因数校正器（PFC）提供了一种出色的系统解决方案。

文件下载：Infineon Technologies EVAL_3K3W_TP_PFC_SIC2 评估板.pdf

1. 系统概述

EVAL_3K3W_TP_PFC_SIC2评估板采用了英飞凌的超结（SJ）CoolMOS™和宽带隙CoolSiC™ G2功率半导体、驱动器以及微控制器（MCU），实现了具有双向能力的无桥图腾柱PFC。该评估板专为需要高效率（高达99.2%）和高功率密度（73W/in³）的应用而设计，如高端服务器和电信设备。同时，其双向功率流能力使其适用于电池充电器或电池形成应用。

1.1 关键器件

• CoolSiC™ 650 V G2 MOSFET：采用TO - 247四引脚封装，作为图腾柱PFC的高频开关，将效率提升至99.2%。
• 600 V CoolMOS™ C7 SJ MOSFET：用于图腾柱PFC的返回路径（低频桥）。
• EiceDRIVER™ 2EDF7275F：隔离栅极驱动器。
• CoolSET™ ICE5QSAG QR反激控制器和CoolMOS™ 950 V P7：用于偏置辅助电源。
• XMC™ XMC1404 MCU：实现PFC控制。

1.2 拓扑结构

评估板采用无桥图腾柱拓扑，在整流器（PFC）和逆变器模式下均以连续导通模式（CCM）运行，并通过英飞凌XMC™ 1000系列微控制器实现全数字控制。在拓扑结构中，图腾柱PFC转换器前的二极管桥仅用于启动或浪涌条件下的电流路径，在稳态转换器运行期间并非电流路径的一部分。

2. 评估板详细描述

2.1 物理规格

评估板尺寸为208mm长、89mm宽、40mm高（1U），功率密度达到73W/in³。

2.2 布局设计

• AC输入部分：AC输入连接器后依次放置了两级EMI滤波器、保险丝、NTC浪涌电流限制器和输入继电器。
• DC输出部分：DC输出连接器与AC连接器位于同一侧，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。
• 子卡部分：评估板另一侧放置了两个子卡，即偏置板和控制卡。偏置板使用QR CoolSET™控制器和950 V P7 CoolMOS™开关为控制卡、驱动、继电器和风扇电源生成所需电压。控制卡实现所需的电流、电压和极性感应，全数字控制由英飞凌XMC™ MCU实现。
• 图腾柱部分：评估板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650 V CoolSiC™ G2和600 V C7 CoolMOS™ MOSFET组成的桥。大容量电容设计满足保持时间要求，半导体器件安装在带有风扇的散热器上，风扇向PFC扼流圈吹气。

3. 数字控制信号调理

评估板在PFC和逆变器操作中均采用带占空比前馈（DFF）的CCM平均电流模式控制。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测电流是一种简单且经济高效的方法。同时，评估板中的控制参考（GND_iso）位于分流电阻后的交流线路上，因此电流感测电压（CS +）根据参考电流的正负而变化。

由于用于控制实现的MCU（英飞凌XMC1404）的ADC仅允许零到电源电压之间的输入电压，因此在CS增益中加入了2.5V的偏移，以充分利用ADC的输入范围。此外，还调整了差分增益（Ki），以考虑电感平均电流和开关频率纹波。

在图腾柱操作中，对于PFC和逆变器功率流，返回路径晶体管（HS_SR和LS_SR）根据交流极性在交流过零点切换。通过将控制参考置于交流输入轨道之一中，简化了极性检测，并利用XMC™的内部ESD二极管保护将输入电容电压转换为数字信号。

4. 图形用户界面（GUI）

XMC™ MCU包含串行通信接口（UART）和特定协议，允许计算机与MCU进行通信。通过XMC™ Link（UART到USB转换）开发的Windows用户界面（GUI），可更新控制器中的两组主要参数：

• 死区时间：可在图腾柱拓扑中的低侧和高侧CoolSiC™开关之间修改死区时间，死区时间可在两个线性区域内修改，并具有最小和最大限制。
• 功率命令：在逆变器操作中设置电流水平，模拟最终应用中DC - DC级发送的命令。

5. PFC（AC - DC操作）规格和测试结果

5.1 性能和稳态波形

评估板在PFC模式下的性能通过可编程交流电源和电子负载进行测试。在230Vrms、50Hz/60Hz条件下，效率在1650W（50%负载）时可达99.2%，电流总谐波失真（THD）在10%负载以上小于10%，功率因数在20%负载以上大于0.95。

5.2 电力线干扰

• 线路周期中断（LCDO）：3300W图腾柱CCM PFC仅在高线运行，因此从230V到0V测试ACLCDO能力。测试结果表明，无论电压中断的起始角度如何，输出电压均在指定的动态变化范围内。若中断时间超过指定时间，输出电压欠压（300V）可能触发，导致设备关闭并重启。
• 电压骤降：考虑并测试了两种不同的高线电压骤降条件。当电压骤降时，由于电感平均电流限制为28A，输出电压可能无法调节到400V。若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。

5.3 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。
• AC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。当输入电压突然增加时，电感电流会立即增加，直到电压环和线路前馈降低电流需求，可能触发峰值电流限制（40A）。

5.4 浪涌电流和PFC启动

通过可编程交流电源和高压电子负载测试PFC启动。连接到交流电源时的浪涌电流通过NTC限制，在满足启动条件时，NTC电阻被并联继电器短路。测量结果表明，浪涌电流远低于指定的30A。

6. 逆变器（DC - AC操作）规格和测试结果

评估板的无桥图腾柱拓扑具有固有的双向功率流能力，可通过主板上的开关选择逆变器操作模式。逆变器操作在高线交流输入（最小RMS电压176V）下以65kHz开关频率运行，其效率、THD、PF、AC电压范围和OCP规格与PFC模式相同，但部分规格有所不同。

6.1 稳态波形

在逆变器模式下，无桥图腾柱拓扑的电感电流与PFC操作相比相位相差180度，电流实际注入交流电网。测试可在稳态下进行，输出功率最高可达3kW，功率限制是由于EVAL - 3K3W_BIDI_PSFB在升压模式下的热限制。

6.2 逆变器模式负载变化

在逆变器模式下，评估板表现为连接在大容量电压和交流电网两个电压源之间的电流源。当接收到新的功率命令时，功率会按照斜坡变化。

6.3 电力线干扰和AC电压变化

• 逆变器模式LCDO：由于DC - DC级控制大容量电压，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。
• 电压骤降和AC电压变化：当AC电压低于指定限制时，逆变器停止操作并打开NTC继电器，在AC电压恢复到标称范围后，经过定义的时间，逆变器将软启动恢复操作。若AC电压超出范围的时间短于100ms，逆变器在AC电压恢复时可能会瞬间要求更高的电流，可能触发DC - DC级的过流保护（OCP）。

7. 热测量

评估板未配备外壳，采用低功率风扇附着在主散热器上的散热方案，PFC扼流圈位于散热器后面并接收风扇的气流。热测量结果表明，特别是在交流电压范围的较低部分，评估板的热点是PFC扼流圈。由于PFC扼流圈的设计特点，散热可能是一个挑战，在最终应用中可能需要在封闭环境中使用更强大的风扇。

8. 总结

EVAL_3K3W_TP_PFC_SIC2评估板为无桥图腾柱PFC提供了一种高效、高功率密度的系统解决方案。通过英飞凌的宽禁带开关和数字控制技术，实现了高达99.2%的峰值效率和73W/in³的功率密度。评估板在PFC和逆变器操作中均表现出良好的性能，能够应对电力线干扰和动态负载条件。然而，目前软件版本不支持动态改变操作模式，在实际应用中需要根据需求进行选择。同时，热管理方面需要进一步优化，以确保在不同工况下的稳定运行。

各位电子工程师们，你们在实际设计中是否遇到过类似的问题？对于这种双向图腾柱PFC评估板的应用，你们有什么独特的见解和经验呢？欢迎在评论区分享交流。