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          瞻芯電子CCM圖騰柱PFC芯片助力SiC/GaN高效率電源方案

          發布時間:2022-05-23 16:20:46 人氣:70

          IVCC1102搭配第三代半導體應用發揮優勢

           

          隨著第三代半導體碳化硅和氮化鎵開關器件大范圍應用,圖騰柱PFC應用獲得極大的拓展。碳化硅和氮化鎵的反向恢復損耗接近于零,從而讓圖騰柱PFC工作在連續模式成為可能。相比于傳統PFC,圖騰柱PFC拓撲簡單,而且效率高,廣泛應用于鉑金級、鈦金級電源設計。

           

          瞻芯電子開發了工業界首款全功能連續模式(CCM)圖騰柱PFC控制芯片 IVCC1102,僅為16腳封裝,在其問世之前,由于圖騰柱PFC控制的復雜性,數字電源控制器是市場上實現圖騰柱PFC僅有的解決方案。盡管性能有明顯優勢,但數字電源項目開發的難度和成本提高了應用導入的門檻。而且,數字控制器在某些特殊的應用場景,如AC瞬間掉電或雷擊等,其響應速度無法保持正確控制邏輯,從而難于應付電流倒灌。而且,數控通常要求有高水平的軟件和硬件工程師協作開發,有較大開發成本和開發時間負擔。

           

          在上述背景下,瞻芯電子自主開發的連續模式圖騰柱PFC控制器 IVCC1102,芯片內置高可靠性的模擬控制,具備快速精確的功率因數校正控制信號輸出,不使用數字電源控制器,無需編程調試,不管是搭配碳化硅器件,還是搭配氮化鎵器件,都能大幅簡化器件選型及開發任務,大大加快產品的開發速度,解決上述提到的各種難點,保證方案的高效、高可靠性,迅速推出高性能電源產品。

           

          近日公布的基于氮化(GaN)的鎵鎵未來700W智能混合信號無橋圖騰柱 PFC+LLC量產電源解決方案,以及基于碳化硅(SiC)的瞻芯電子2500W 圖騰柱 PFC電源方案都很好的驗證了IVCC1102控制器的優異特性。

           

           

           

          SOIC-16封裝 

           

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               4x4mm QFN-20封裝

           

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          瞻芯電子自主開發的 IVCC1102 ,不僅能縮短電源開發時間,降低開發人力和器件成本,還能克服多項控制難點,提高電源的可靠性:

           

          1)反電流倒灌控制。帶交流整流同步管的圖騰柱PFC實質上是一個雙向變換器。輸入交流電壓(AC)的瞬間下掉,如果不能及時關閉開關器件,會導致母線電解電容能量倒灌回AC側,從而產生很大的倒灌電流。該電流不僅使PFC消耗掉系統掉電保持時間(hold-up time)所需的能量,極端情況還可能損壞開關管。IVCC 1102 檢測輸入電壓,采用自主專利中的固定前饋比控制技術,占空比可以快速響應AC電壓變化,再配合快速可靠的過零點邏輯,完美地解決了這一控制難點。

           

          2)平滑過零點電流控制難題。IVCC1102 采用自主專利中的過零點控制技術,縮短過零區,同時提高過零區軟啟開關頻率,減小慢管換流時的電流尖峰,使AC電流可以平滑過零。

           

          3)兼顧低總諧波失真(THD)和快電壓環控制。IVCC1102 釆用自主專利中的混合控制技術,在穩態運行時,僅在AC過零點時對輸出電壓釆樣,從而減小輸出電壓的二次諧波,減小THD的影響;而在動態時,輸出電壓反饋信號實時采樣,并進入非線性控制環路,來加快電壓環的響應以減小輸出電壓的波動,使這兩難的控制得以有效地結合,提升電路的整體運行效果。

           

          4)抗雷擊破壞。由于雷擊波電壓上升速度快,并隨機地同相或反相地疊加到AC電壓上,檢測電路和控制器必須快速測出輸入電壓極性并做相應的控制調整,否則容易損壞后級電路。IVCC1102 采用快速的模擬檢測電路和固化的控制邏輯,能穩定而有效地應對這種特殊場景,減小或消除雷電波對開關管的沖擊。

           

          IVCC1102搭配碳化硅(SiC)的圖騰柱PFC方案

           

          瞻芯電子開發了一款圖騰柱全橋PFC方案,這是一種AC-DC的拓撲結構,并工作在連續模式(CCM)。高速橋臂的SiC MOSFET工作頻率為57kHz。由于碳化硅MOSFET有極小的輸出電容和接近零的反向恢復,它是硬開關電路的理想開關器件 。同步整流的慢橋臂工作在工頻,由于低導通電阻的Si MOSFET導通時的Vsd壓降遠低于高壓二極管,使得整流功耗大大降低。通過以上的方式,可以提高應用的整體效率。

           

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          下面是該方案拓撲圖:

           

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          基于瞻芯電子 IVCC1102 設計的2500W圖騰柱PFC電源方案及芯片已被終端客戶采納,并實現量產,實物如下圖所示:

           

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          該方案PFC控制器采用IVCC1102,搭配瞻芯電子推出的碳化硅MOS驅動器IVCR1401,以及60mΩ導阻的碳化硅開關管IV1Q06060T4,用于同步整流驅動的IVCO1A01隔離驅動器控制同步整流管,可實現2500W高功率,同時最高轉換效率達98.7%的解決方案。

           

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          該方案的電流總諧波失真曲線如下圖,從曲線可以看出該方案實現了極低的總諧波失真(THD):

           

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          由于使用非線性環路控制,交流輸入,從空載到滿載,輸出電壓僅跌落38V,從滿載到空載,輸出電壓僅上升28V。

           

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          2.5kW Setup Load Up with AC Input

           

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              2.5kW Setup Load Down with AC Input

           

          相應的碳化硅器件溫升曲線如圖所示,從500W到滿載2500W輸出,溫度只上升到了16℃,表現也很好。

           

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          其它詳細測試數據歡迎聯系瞻芯電子進一步咨詢。

           

          IVCC1102搭配氮化鎵(GaN)的圖騰柱PFC方案

           

          近期珠海鎵未來科技公布了一款700W智能混合信號無橋圖騰柱 PFC+LLC量產電源解決方案,其PFC控制器也是采用瞻芯電子IVCC1102,搭配鎵未來兩款低動態內阻Cascode氮化鎵器件(G1N65R150TA和G1N65R050TB),實現PFC級99.1%的極致轉換效率,系統總體滿載效率高達96.72%, 符合80PLUS鈦金能效。據悉,鎵未來G1N65R150TA和G1N65R050TB已經正式量產。

           

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          珠海鎵未來科技采用GaN器件無橋圖騰柱PFC方案,設計上去除了輸入整流橋固有的Vf損耗,解決了傳統FPC線路效率無法提升的問題。同時通過Cascode GaN的應用,解決圖騰柱PFC MOSFET反向恢復電荷Qrr過高的只能采用CRM工作模式的問題。用具有極低等效Qrr的Cascode GaN器件,使得PFC可以工作在連續電流模式提高效率的同時也不犧牲功率密度,實現高達99.1%的轉換效率。

           

          鎵未來700W GaN電源關鍵參數

           

          鎵未來這套700W GaN電源方案功率密度可達14.7W/in3,適合工作在0-40℃溫度環境下,支持90-264V~50/60Hz全球寬范圍電壓輸入,可在40V-56V調壓輸出,最大恒流13A,最大輸出功率700W。滿載效率≥96.72%,輸出電壓紋波<300mV。

           

          鎵未來700W GaN電源整機能效對比市面上普通在售Si MOS產品,半載測試下提高了接近2%的轉換效率,在滿載情況下提高了接近1.3%的轉換效率。節能提升了38.72%,預計可以為每臺單電源設備年節省80-120度電。

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          溫升測試:

           

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          上圖為鎵未來700W GaN電源方案在無散熱片情況下,25℃環境溫度下 110V/60Hz裸機連續運行1 小時的熱成像圖。可以看出,得益于GaNext優異的GaN器件性能以及成熟的可靠性設計方案。700W GaN LED驅動電源裸板正面的最大實測溫度僅為88.8℃。

          其它詳細測試數據歡迎聯系鎵未來科技進一步咨詢。

           


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