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瞻芯电子CCM图腾柱PFC芯片助力SiC/GaN高效率电源方案

2022-04-20 充电头网 阅读:
随着第三代半导体碳化硅和氮化镓开关器件大范围应用,图腾柱PFC应用获得极大的拓展。碳化硅和氮化镓的反向恢复损耗接近于零,从而让图腾柱PFC工作在连续模式成为可能。相比于传统PFC,图腾柱PFC拓扑简单,而且效率高,广泛应用于铂金级、钛金级电源设计。

随着第三代半导体碳化硅和氮化镓开关器件大范围应用,图腾柱PFC应用获得极大的拓展。碳化硅和氮化镓的反向恢复损耗接近于零,从而让图腾柱PFC工作在连续模式成为可能。相比于传统PFC,图腾柱PFC拓扑简单,而且效率高,广泛应用于铂金级、钛金级电源设计。Q6Jednc

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瞻芯电子开发了工业界首款全功能连续模式(CCM)图腾柱PFC控制芯片 IVCC1102,仅为16脚封装,在其问世之前,由于图腾柱PFC控制的复杂性,数字电源控制器是市场上实现图腾柱PFC仅有的解决方案。尽管性能有明显优势,但数字电源项目开发的难度和成本提高了应用导入的门槛。而且,数字控制器在某些特殊的应用场景,如AC瞬间掉电或雷击等,其响应速度无法保持正确控制逻辑,从而难于应付电流倒灌。而且,数控通常要求有高水平的软件和硬件工程师协作开发,有较大开发成本和开发时间负担。Q6Jednc

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在上述背景下,瞻芯电子自主开发的连续模式图腾柱PFC控制器 IVCC1102,芯片内置高可靠性的模拟控制,具备快速精确的功率因数校正控制信号输出,不使用数字电源控制器,无需编程调试,不管是搭配碳化硅器件,还是搭配氮化镓器件,都能大幅简化器件选型及开发任务,大大加快产品的开发速度,解决上述提到的各种难点,保证方案的高效、高可靠性,迅速推出高性能电源产品。Q6Jednc

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近日公布的基于氮化(GaN)的镓镓未来700W智能混合信号无桥图腾柱 PFC+LLC量产电源解决方案,以及基于碳化硅(SiC)的瞻芯电子2500W 图腾柱 PFC电源方案都很好的验证了IVCC1102控制器的优异特性。Q6Jednc

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SOIC-16封装 Q6Jednc

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     4x4mm QFN-20封装Q6Jednc

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瞻芯电子自主开发的 IVCC1102 ,不仅能缩短电源开发时间,降低开发人力和器件成本,还能克服多项控制难点,提高电源的可靠性:Q6Jednc

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1)反电流倒灌控制。带交流整流同步管的图腾柱PFC实质上是一个双向变换器。输入交流电压(AC)的瞬间下掉,如果不能及时关闭开关器件,会导致母线电解电容能量倒灌回AC侧,从而产生很大的倒灌电流。该电流不仅使PFC消耗掉系统掉电保持时间(hold-up time)所需的能量,极端情况还可能损坏开关管。IVCC 1102 检测输入电压,采用自主专利中的固定前馈比控制技术,占空比可以快速响应AC电压变化,再配合快速可靠的过零点逻辑,完美地解决了这一控制难点。Q6Jednc

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2)平滑过零点电流控制难题。IVCC1102 采用自主专利中的过零点控制技术,缩短过零区,同时提高过零区软启开关频率,减小慢管换流时的电流尖峰,使AC电流可以平滑过零。Q6Jednc

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3)兼顾低总谐波失真(THD)和快电压环控制。IVCC1102 釆用自主专利中的混合控制技术,在稳态运行时,仅在AC过零点时对输出电压釆样,从而减小输出电压的二次谐波,减小THD的影响;而在动态时,输出电压反馈信号实时采样,并进入非线性控制环路,来加快电压环的响应以减小输出电压的波动,使这两难的控制得以有效地结合,提升电路的整体运行效果。Q6Jednc

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4)抗雷击破坏。由于雷击波电压上升速度快,并随机地同相或反相地叠加到AC电压上,检测电路和控制器必须快速测出输入电压极性并做相应的控制调整,否则容易损坏后级电路。IVCC1102 采用快速的模拟检测电路和固化的控制逻辑,能稳定而有效地应对这种特殊场景,减小或消除雷电波对开关管的冲击。Q6Jednc

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IVCC1102搭配碳化硅(SiC)的图腾柱PFC方案Q6Jednc

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瞻芯电子开发了一款图腾柱全桥PFC方案,这是一种AC-DC的拓扑结构,并工作在连续模式(CCM)。高速桥臂的SiC MOSFET工作频率为57kHz。由于碳化硅MOSFET有极小的输出电容和接近零的反向恢复,它是硬开关电路的理想开关器件 。同步整流的慢桥臂工作在工频,由于低导通电阻的Si MOSFET导通时的Vsd压降远低于高压二极管,使得整流功耗大大降低。通过以上的方式,可以提高应用的整体效率。Q6Jednc

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下面是该方案拓扑图:Q6Jednc

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基于瞻芯电子 IVCC1102 设计的2500W图腾柱PFC电源方案及芯片已被终端客户采纳,并实现量产,实物如下图所示:Q6Jednc

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该方案PFC控制器采用IVCC1102,搭配瞻芯电子推出的碳化硅MOS驱动器IVCR1401,以及60mΩ导阻的碳化硅开关管IV1Q06060T4,用于同步整流驱动的IVCO1A01隔离驱动器控制同步整流管,可实现2500W高功率,同时最高转换效率达98.7%的解决方案。Q6Jednc

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该方案的电流总谐波失真曲线如下图,从曲线可以看出该方案实现了极低的总谐波失真(THD):Q6Jednc

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由于使用非线性环路控制,交流输入,从空载到满载,输出电压仅跌落38V,从满载到空载,输出电压仅上升28V。Q6Jednc

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2.5kW Setup Load Up with AC InputQ6Jednc

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    2.5kW Setup Load Down with AC InputQ6Jednc

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相应的碳化硅器件温升曲线如图所示,从500W到满载2500W输出,温度只上升到了16℃,表现也很好。Q6Jednc

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其它详细测试数据欢迎联系瞻芯电子进一步咨询。Q6Jednc

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IVCC1102搭配氮化镓(GaN)的图腾柱PFC方案Q6Jednc

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近期珠海镓未来科技公布了一款700W智能混合信号无桥图腾柱 PFC+LLC量产电源解决方案,其PFC控制器也是采用瞻芯电子IVCC1102,搭配镓未来两款低动态内阻Cascode氮化镓器件(G1N65R150TA和G1N65R050TB),实现PFC级99.1%的极致转换效率,系统总体满载效率高达96.72%, 符合80PLUS钛金能效。据悉,镓未来G1N65R150TA和G1N65R050TB已经正式量产。Q6Jednc

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珠海镓未来科技采用GaN器件无桥图腾柱PFC方案,设计上去除了输入整流桥固有的Vf损耗,解决了传统FPC线路效率无法提升的问题。同时通过Cascode GaN的应用,解决图腾柱PFC MOSFET反向恢复电荷Qrr过高的只能采用CRM工作模式的问题。用具有极低等效Qrr的Cascode GaN器件,使得PFC可以工作在连续电流模式提高效率的同时也不牺牲功率密度,实现高达99.1%的转换效率。Q6Jednc

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镓未来700W GaN电源关键参数Q6Jednc

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镓未来这套700W GaN电源方案功率密度可达14.7W/in³,适合工作在0-40℃温度环境下,支持90-264V~50/60Hz全球宽范围电压输入,可在40V-56V调压输出,最大恒流13A,最大输出功率700W。满载效率≥96.72%,输出电压纹波<300mV。Q6Jednc

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镓未来700W GaN电源整机能效对比市面上普通在售Si MOS产品,半载测试下提高了接近2%的转换效率,在满载情况下提高了接近1.3%的转换效率。节能提升了38.72%,预计可以为每台单电源设备年节省80-120度电。Q6Jednc

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温升测试:Q6Jednc

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上图为镓未来700W GaN电源方案在无散热片情况下,25℃环境温度下 110V/60Hz裸机连续运行1 小时的热成像图。可以看出,得益于GaNext优异的GaN器件性能以及成熟的可靠性设计方案。700W GaN LED驱动电源裸板正面的最大实测温度仅为88.8℃。Q6Jednc

其它详细测试数据欢迎联系镓未来科技进一步咨询。Q6Jednc

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总结Q6Jednc

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瞻芯电子是中国领先的碳化硅(SiC)功率半导体和芯片解决方案提供商,2017年成立于上海临港,致力于开发碳化硅功率器件、驱动和控制芯片、碳化硅功率模块产品。瞻芯电子是中国第一家自主开发并掌握6英寸SiC MOSFET产品以及工艺平台的公司,致力于围绕碳化硅功率半导体应用,为中国新能源产业提供一站式(Turn-key)芯片解决方案。Q6Jednc

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