基于Microchip dsPIC33CK256MP506 高性能DSP开发的4KW图腾柱PFC数字电源方案

随着效率要求的逐步提高,无桥PFC得到越来越多的应用。而无桥PFC中,图腾柱PFC由于可以消除二极管的损耗而成为效率最高的PFC线路, 硅管做图腾柱PFC,只能做CrM或者DCM,CCM下反向恢复损耗太大,效率没有优势。所以我们是用目前最新的GaN功率开关器件来做,设计的是CCM totem Pole PFC,PWM开关频率是66KHz,辅助电源供电12VDC,输入电压85 Vac to 270 Vac, 47Hz to 63Hz ,PFC输出电压387Vdc+/- 5 Vdc。

此电路中的器件少,特别是单电感,适合高功率密度、高效率的设计。在交流输入电压的正负半周内,由于工频管D1/D2一直导通,所以不论D1/D2为快恢复二极管还是慢恢复二极管,此拓扑都天然的解决了EMC问题。工频管D1/D2可以进行同步整流,从而也进一步提高了图腾柱无桥PFC的效率。

以前受到器件的限制,由于主开关管的体二极管的反向恢复特性较差,所以图腾柱无桥PFC只能工作在DCM,只适合中小功率的设计。要使图腾柱PFC能够工作在CCM模式,则需要用反向恢复特性极好的MOSFET,比如GaN FET、SiC FET,或者需要对图腾柱电路进行变形才可实现。实现PFC,需要采样整流后的电压信号,AC馒头波;  L>N的时候,可以正常采样;N>L的时候,N线电压将被钳位到输出电压。

我们主控制器MICROCHIP DSP dsPIC33CK256MP506采样AC电压不是采整流后的电压信号,而是直接采样EMI那部分的L和N线的电压信号,为了实现高PF值,有时需要对Xcap进行一定的算法上的补偿。

此PFC电路可进行交错并联。交错并联可以有效的降低PFC变换器的功率密度,同时交错并联对效率的影响不大,其优点如下:

  1. 能够减小输入电流的纹波,从而减小前端EMI部分中差模电感的体积。
  2. 能够减小输出电流的纹波,减小母线电容的容量和延长母线电容的寿命。
  3. 能够减小PFC电感的体积,降低了开关器件的平均电流应力。
  4. 通过一定的相位管理,能够提高轻载时PFC电路的效率。

PFC的控制方式一般采用的是电流内环,电压外环的双环控制方式。电压外环被用来调整输出电压,电流内环被用来控制输入电流。我们主控制器MICROCHIP DSP dsPIC33CK256MP506内部集成的数字电源专用零极点补偿算法函数,对PFC的电压电流环进行补偿运算,省去外围很多补偿器件。

  • 在PFC电压环控制中,软件主要关注的就是Gcv(s)--电压环的补偿函数。电压环带宽设计在10Hz左右,避免对PFC输入电流的调制作用。
  • 在PFC电流环控制中,软件主要关注的就是Giv(s)--电流环的补偿函数,电流环带宽设计在1/10~1/20开关频率处,电流环带宽高,THD指标好。

PFC电路显著提高了电源模块的THD,PF等指标,改善了电网供电质量,是中大功率电源必不可少的关键电路。随着行业发展,高效高功率小体积是趋势,PFC电路扮演着越来越重要的角色。

场景应用图

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产品实体图

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展示版照片

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方案方块图

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矿机电源

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核心技术优势

1、灵活的环路补偿算法控制: 主控制器MICROCHIP DSP dsPIC33CK256MP506内部集成的数字电源专用零极点补偿算法函数,对PFC的电压电流环进行补偿运算。 2、高速DSP运算: Microchip 高性能数字电源专用控制器DSP工作频率为100MHz,单指令周期运行。 3、电流连续模式控制CCM: 可有利于提高PFC值。 4、高分辨率PWM驱动: PWM分辨率为250ps,开关频率选择66KHz,以合适的开关频率提高电源转换效率,保证良好的EMI特性。 5、专用ADC内核与共享ADC模块: ADC转换延时仅285ns。 6、采用GaN管提高转换效率: 采用氮化镓高频化的无桥PFC后,体积大大变小,成本更有优势,大大减小了CCM模式下反向恢复损耗,效率也大大提高。 7、平滑的过零尖峰处理: 利用DSP控制零点正负半周切换时PWM启停时刻,在过零点提前关闭,在过零点延后开通。 8、支持USB通讯: 使用Microchip MCP2221,可通过USB通讯进行在线升级和数据通信。 9、MPLAB X IDE 图形化配置: 通过MPLAB X IDE 的MCC插件,以图形化配置生成各类外设模块的初始化代码和底层驱动,可极大降低软件开发难度,减轻工程师的开发负担,常规应用无需看寄存器定义即可完成开发。

方案规格

输入电压: AC 85V~270V 最大功率: 4KW 输入电流: 18A 输出电压: 387VDC +/- 5 Vdc PWM 频率: 66KHz 转换效率: 99%短时过载: 19.8 A (rms) (2200 W at 115 Vac, 4400 W at 230 Vac) USB在线升级: 支持(使用MCC生成代码) 环境温度: 小于50℃

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