【应用】瞻芯电子20kW碳化硅三相PFC参考设计

时间： 2021-05-05 来源：瞻芯电子

技术问答

三相PFC是一种高效率大功率无桥功率因数校正电路，主要用于各种大功率电力电子设备中的第一级。图1-1所展示的是三相PFC主电路图，这个电路的Q1~Q6都是是高速SiC MOSFET管，该参考设计额定功率为20kW，使用瞻芯电子生产的1200V/30mΩ SiC MOSFET IV1QXXXXT3，以及专用碳化硅MOSFET驱动IC IVCR1401用于高速桥臂。实物图如图1-2所示。

三相无桥PFC

三相无桥PFC是一种大功率AC-DC的拓扑结构。本设计的PFC是工作在连续模式（CCM）。SiC MOSFET工作频率在65kHZ。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。与传统的IGBT应用相比，开关频率得到很大的提升，同时可以保持98%的高效率。

门级驱动

SiC MOSFET的门级驱动信号是使用的是型号为IVCR1401的驱动芯片，是一款在8管脚封装集成负压驱动，并提供所有必需的保护和通信功能的碳化硅MOSFET栅极驱动芯片，具有更快的开关速度，新型碳化硅MOSFET专用栅极驱动芯片内部集成了负压电路，在无需外加负压电源的情况下，可以完成输出负压驱动提供更多的噪声裕量，使系统更稳定运行于各种复杂的应用环境，集成的过饱和/过流保护功能，响应时间可编程，且最快响应仅有数百纳秒，可以更及时的保护碳化硅器件在各种干扰甚至短路情况下不损坏，同时将侦测到的错误信号向控制器汇报，新型碳化硅MOSFET栅极驱动芯片还内置了5V电源给隔离器供电，简化了配合隔离器芯片的电路设计。IVCR1401驱动电路示意图如图1-3。

SiC MOSFET开关速度非常快，一般可以达到50V/ns以上，这么快的dv/dt会通过SiC MOSFET的Cgd在栅极电阻上产生一个尖峰电压。这个尖峰电压会导致SiCMOSFET误开通或者是负压超压从而导致栅极损坏。为了避免这个问题，在栅极电阻上并联一个背靠背的硅MOS管，当该管处于关闭状态时，一定的负压使得左边的MOS管体二极管导通，右边的MOS处于打开的状态，这样相当于将栅极电阻短路，从而使得米勒电流产生的压降减小。当该管处于打开时，IVCR1401输出一定的正压，该正压使得两个MOS都处于关闭的状态，从而使得栅极电阻不再处于短路状态，处于传统的工作状态。从而使得米勒尖峰电压大大减小。

辅助电源供电板卡

辅助电源模块是使用UCC28740作为反激电路的控制芯片，反激电路以直流电源作为输入，经过反激电路产生一路+5V/1A，一路+12V/1A，其中5V电压用于给控制板卡以及驱动电路进行供电，12V电压用于给风扇提供电源。实物图如图1-4所示。它自身是一款1000V/20W的参考设计IVCT-REF00004。

控制板卡

该板卡的插座的插脚是根据TI公司生产的DSP板卡TMDSCNCD280049C而设计的，它可插TI的DSP板卡，也可插瞻芯电子生产的控制板卡F280049C(IVCT-REF00008)或FPGA控制卡(IVCT-REF00009)（使用的是SPARTAN-6系列的FPGA、MCU以及一块AD7606的AD数据采集模块所构成的）。FPGA控制卡如图1-5所示。也可插瞻芯电子生产的控制板卡F280049C，使用TI TMDSCNCD280049C的DSP，如图1-6所示。

硬件组成部分

基本硬件模块：描述了三相无桥PFC的硬件组成，如图2-1所示，第一排从左至右依次是交流电源输入，控制板卡，SiC MOSFET及其散热器，辅助电源板卡。第二排从左至右依次是EMI输入滤波器，NTC，缓启动继电器，主功率电感，直流母线电容和风扇。

启动过程

将输入连接至实验室三相交流电源上，输出连接至电子负载上。将实验室三相交流电源的电压有效值不断增大，当交流电源的线电压有效值增加至305V时，三相无桥PFC开始工作，输出直流电压600V~800V，不建议在最大负载情况下直接启动并工作。

测量结果：提供测量结果曲线图，所有的测量结果均是在温度为25摄氏度的环境下，输入三相线电压305VAC~400VAC交流电源，输出600V~800V直流电，65KHz的开关频率的情况下进行测量。

效率曲线

使用SiC MOSFET的三相无桥PFC最佳的情况可以达到98%以上的效率，图3-1蓝色线展示了瞻芯(IV1Q12050T4)效率曲线，橘色曲线为英飞凌(IMZ120R045M1)效率曲线，从图中可以看出瞻芯的50mOhm管子效率逼近英飞凌45mOhm管子效率。

功率因数曲线

使用SiC MOSFET三相无桥PFC功率因数曲线如图3-2所示

电流谐波失真曲线

使用SiC MOSFET三相无桥PFC电流总谐波失真曲线如图3-3所示

开关曲线以及电流波形

图3-5展示了输入电压以及输入电流波形，电路工作在连续模式下。其中蓝色线条表示输入线电压，绿色线条表示输入相电流。图3-6展示了三相无桥PFC工作在输入线电压为正半周期的SiC MOSFET开关管驱动波形，其中绿色线条为A相下管驱动波形，紫色线条为B相下管驱动波形，天蓝色线条为C相下管驱动波形。图3-7展示了SiC MOSFET开关管开通VDS波形。图3-8展示了SiC MOSFET开关管关闭VDS波形。

SiC MOSFET驱动电路Layout建议

对于SiC MOSFET这一类宽禁带器件，其开关速度比传统的IGBT/MOSFET快很多，一般可以达到30~50V/ns，开关过程一般在25ns以下。为了达到这么快的开关速度，SiC MOSFET的驱动电路需要精心设计。SiC MOSFET驱动电路首先要确定驱动电压，一般根据数据手册的建议值先做初步实验，在满载功率的情况下，调节负压和栅极电阻直到米勒尖峰不超过最大负压值同时保证不会导致米勒误开通。SiC MOSFET驱动电路的Layout一定要保证驱动器尽量靠近SiC MOSFET管脚，越近越好。下面以图3-9为例，解释SiC MOSFET驱动电路的Layout注意点。

图3-9展示了一个桥臂内下管的SiC MOSFET驱动电路实例。左侧为驱动电路供电的隔离电源，采用SN6505+750313638(变压器)的方式实现隔离供电，同时隔离DCDC的输出经过LDO进一步稳压到合适的电压，以适配不同的驱动电压需求。左侧上半部分为隔离DCDC，下半部分为LDO，右上部分为驱动信号的隔离IC，下半部分为瞻芯电子特有的集成负压功能的SiC MOSFET专用驱动器IVCR1401。最右下方是TO247-4封装的SiC MOSFET。为了减小驱动回路的寄生电感，需要驱动器IVCR1401尽可能的靠近SiC MOSFET的引脚，在图3-9中可以看到，驱动器IVCR1401的输出引脚离SiC MOSFET的栅极只有一个0603封装的长度和宽度距离之和(C34的宽度加上R30的长度)。这么短的距离可以保证驱动回路寄生电感极低，使得SiC MOSFET的栅极电阻Rg可以尽可能小，从而使得SiC MOSFET以尽可能快的速度开关，从而最大程度发挥SiC MOSFET的性能。

参数说明

说明：所有测量实验均是在实验室温度为25℃时进行。

输入交流电压Vin = 400Vrms(线电压)

输出功率Pout = 1KW to 20KW开关管控制频率Fsw = 65 kHz

测试温度T= 25°C

输出电压Vout,nom = 750 V DC

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