瞻芯电子CCM图腾柱PFC芯片助力SiC/GaN高效率电源方案
来源:充电头网发布时间:2022-04-18763浏览
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IVCC1102搭配第三代半导体应用发挥优势
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。
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。
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。
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。
SOIC-16封装
4x4mm QFN-20封装
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：
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。
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。
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。
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。
IVCC1102搭配碳化硅(SiC)的图腾柱PFC方案
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。
下面是该方案拓扑图：
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：
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。
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)：
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。
2.5kW Setup Load Up with AC Input
2.5kW Setup Load Down with AC Input
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。
其它详细测试数据欢迎联系瞻芯电子进一步咨询。
IVCC1102搭配氮化镓(GaN)的图腾柱PFC方案
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。
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。
镓未来700W GaN电源关键参数
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。
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。
温升测试:
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℃。
其它详细测试数据欢迎联系镓未来科技进一步咨询。
总结
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。
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