找方案 | 基于Microchip dsPIC33CK256MP506 高性能DSP開發(fā)的4KW圖騰柱PFC數(shù)字電源方案

隨著效率要求的逐步提高，無橋PFC得到越來越多的應用。而無橋PFC中，圖騰柱PFC由于可以消除二極管的損耗而成為效率最高的PFC線路, 硅管做圖騰柱PFC，只能做CrM或者DCM，CCM下反向恢復損耗太大，效率沒有優(yōu)勢。所以我們是用目前最新的GaN功率開關(guān)器件來做，設(shè)計的是CCM totem Pole PFC，PWM開關(guān)頻率是66KHz，輔助電源供電12VDC，輸入電壓85 Vac to 270 Vac, 47Hz to 63Hz ，PFC輸出電壓387Vdc+/- 5 Vdc。

此電路中的器件少，特別是單電感，適合高功率密度、高效率的設(shè)計。在交流輸入電壓的正負半周內(nèi)，由于工頻管D1/D2一直導通，所以不論D1/D2為快恢復二極管還是慢恢復二極管，此拓撲都天然的解決了EMC問題。工頻管D1/D2可以進行同步整流，從而也進一步提高了圖騰柱無橋PFC的效率。

以前受到器件的限制，由于主開關(guān)管的體二極管的反向恢復特性較差，所以圖騰柱無橋PFC只能工作在DCM，只適合中小功率的設(shè)計。要使圖騰柱PFC能夠工作在CCM模式，則需要用反向恢復特性極好的MOSFET，比如GaN FET、SiC FET，或者需要對圖騰柱電路進行變形才可實現(xiàn)。實現(xiàn)PFC，需要采樣整流后的電壓信號，AC饅頭波； L>N的時候，可以正常采樣；N>L的時候，N線電壓將被鉗位到輸出電壓。

我們主控制器

MICROCHIP DSP dsPIC33CK256MP506采樣AC電壓不是采整流后的電壓信號，而是直接采樣EMI那部分的L和N線的電壓信號，為了實現(xiàn)高PF值，有時需要對Xcap進行一定的算法上的補償。

此PFC電路可進行交錯并聯(lián)。交錯并聯(lián)可以有效的降低PFC變換器的功率密度，同時交錯并聯(lián)對效率的影響不大，其優(yōu)點如下：

能夠減小輸入電流的紋波，從而減小前端EMI部分中差模電感的體積。

能夠減小輸出電流的紋波，減小母線電容的容量和延長母線電容的壽命。

能夠減小PFC電感的體積，降低了開關(guān)器件的平均電流應力。

通過一定的相位管理，能夠提高輕載時PFC電路的效率。

PFC的控制方式一般采用的是電流內(nèi)環(huán)，電壓外環(huán)的雙環(huán)控制方式。電壓外環(huán)被用來調(diào)整輸出電壓，電流內(nèi)環(huán)被用來控制輸入電流。我們主控制器MICROCHIP DSP dsPIC33CK256MP506內(nèi)部集成的數(shù)字電源專用零極點補償算法函數(shù)，對PFC的電壓電流環(huán)進行補償運算，省去外圍很多補償器件。

在PFC電壓環(huán)控制中，軟件主要關(guān)注的就是Gcv(s)--電壓環(huán)的補償函數(shù)。電壓環(huán)帶寬設(shè)計在10Hz左右，避免對PFC輸入電流的調(diào)制作用。

在PFC電流環(huán)控制中，軟件主要關(guān)注的就是Giv(s)--電流環(huán)的補償函數(shù)，電流環(huán)帶寬設(shè)計在1/10~1/20開關(guān)頻率處，電流環(huán)帶寬高，THD指標好。

PFC電路顯著提高了電源模塊的THD,PF等指標，改善了電網(wǎng)供電質(zhì)量，是中大功率電源必不可少的關(guān)鍵電路。隨著行業(yè)發(fā)展，高效高功率小體積是趨勢，PFC電路扮演著越來越重要的角色。

?場景應用圖

?產(chǎn)品實體圖

?展示板照片

?方案方塊圖

?礦機電源

?核心技術(shù)優(yōu)勢

1、靈活的環(huán)路補償算法控制：

主控制器MICROCHIP DSP dsPIC33CK256MP506內(nèi)部集成的數(shù)字電源專用零極點補償算法函數(shù)，對PFC的電壓電流環(huán)進行補償運算。

2、高速DSP運算：

Microchip 高性能數(shù)字電源專用控制器DSP工作頻率為100MHz，單指令周期運行。

3、電流連續(xù)模式控制CCM：

可有利于提高PFC值。

4、高分辨率PWM驅(qū)動：

PWM分辨率為250ps，開關(guān)頻率選擇66KHz，以合適的開關(guān)頻率提高電源轉(zhuǎn)換效率，保證良好的EMI特性。

5、專用ADC內(nèi)核與共享ADC模塊：

ADC轉(zhuǎn)換延時僅285ns。

6、采用GaN管提高轉(zhuǎn)換效率：

采用氮化鎵高頻化的無橋PFC后，體積大大變小，成本更有優(yōu)勢，大大減小了CCM模式下反向恢復損耗，效率也大大提高。

7、平滑的過零尖峰處理：

利用DSP控制零點正負半周切換時PWM啟停時刻，在過零點提前關(guān)閉，在過零點延后開通。

8、支持USB通訊：

使用Microchip MCP2221，可通過USB通訊進行在線升級和數(shù)據(jù)通信。

9、MPLAB X IDE 圖形化配置：

通過MPLAB X IDE 的MCC插件，以圖形化配置生成各類外設(shè)模塊的初始化代碼和底層驅(qū)動，可極大降低軟件開發(fā)難度，減輕工程師的開發(fā)負擔，常規(guī)應用無需看寄存器定義即可完成開發(fā)。

?方案規(guī)格

輸入電壓：AC 85V~270V

最大功率：4KW

輸入電流：18A

輸出電壓：387VDC +/- 5 Vdc

PWM 頻率：66KHz

轉(zhuǎn)換效率：99%短時過載：19.8 A (rms) (2200 W at 115 Vac, 4400 W at 230 Vac)

USB在線升級：支持(使用MCC生成代碼)

環(huán)境溫度：小于50℃