瞻芯電子CCM圖騰柱PFC芯片助力SiC/GaN高效率電源方案

IVCC1102搭配第三代半導體應用發(fā)揮優(yōu)勢

隨著(zhù)第三代半導體碳化硅和氮化鎵開(kāi)關(guān)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(jiǎn)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(kāi)發(fā)了工業(yè)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(wèn)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(chǎng)上實(shí)現圖騰柱PFC僅有的解決方案。盡管性能有明顯優(yōu)勢，但數字電源項目開(kāi)發(fā)的難度和成本提高了應用導入的門(mén)檻。而且，數字控制器在某些特殊的應用場(chǎng)景，如AC瞬間掉電或雷擊等，其響應速度無(wú)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(xié)作開(kāi)發(fā)，有較大開(kāi)發(fā)成本和開(kāi)發(fā)時(shí)間負擔。

在上述背景下，瞻芯電子自主開(kāi)發(fā)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(wú)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(jiǎn)化器件選型及開(kāi)發(fā)任務(wù)，大大加快產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度，解決上述提到的各種難點(diǎn)，保證方案的高效、高可靠性，迅速推出高性能電源產(chǎn)品。

近日公布的基于氮化(GaN)的鎵鎵未來(lái)700W智能混合信號無(wú)橋圖騰柱 PFC+LLC量產(chǎn)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(yōu)異特性。

SOIC-16封裝 

     4x4mm QFN-20封裝

瞻芯電子自主開(kāi)發(fā)的 IVCC1102 ，不僅能縮短電源開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低開(kāi)發(fā)人力和器件成本，還能克服多項控制難點(diǎn)，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(shí)質(zhì)上是一個(gè)雙向變換器。輸入交流電壓(AC)的瞬間下掉，如果不能及時(shí)關(guān)閉開(kāi)關(guān)器件，會(huì )導致母線(xiàn)電解電容能量倒灌回AC側，從而產(chǎn)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(shí)間（hold-up time）所需的能量，極端情況還可能損壞開(kāi)關(guān)管。IVCC 1102 檢測輸入電壓，采用自主專(zhuān)利中的固定前饋比控制技術(shù)，占空比可以快速響應AC電壓變化，再配合快速可靠的過(guò)零點(diǎn)邏輯，完美地解決了這一控制難點(diǎn)。

2）平滑過(guò)零點(diǎn)電流控制難題。IVCC1102 采用自主專(zhuān)利中的過(guò)零點(diǎn)控制技術(shù)，縮短過(guò)零區，同時(shí)提高過(guò)零區軟啟開(kāi)關(guān)頻率，減小慢管換流時(shí)的電流尖峰，使AC電流可以平滑過(guò)零。

3）兼顧低總諧波失真(THD)和快電壓環(huán)控制。IVCC1102 釆用自主專(zhuān)利中的混合控制技術(shù)，在穩態(tài)運行時(shí)，僅在A(yíng)C過(guò)零點(diǎn)時(shí)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(dòng)態(tài)時(shí)，輸出電壓反饋信號實(shí)時(shí)采樣，并進(jìn)入非線(xiàn)性控制環(huán)路，來(lái)加快電壓環(huán)的響應以減小輸出電壓的波動(dòng)，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(chǎng)景，減小或消除雷電波對開(kāi)關(guān)管的沖擊。

IVCC1102搭配碳化硅(SiC)的圖騰柱PFC方案

瞻芯電子開(kāi)發(fā)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(kāi)關(guān)電路的理想開(kāi)關(guān)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(shí)的Vsd壓降遠低于高壓二極管，使得整流功耗大大降低。通過(guò)以上的方式，可以提高應用的整體效率。

下面是該方案拓撲圖：

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(hù)采納，并實(shí)現量產(chǎn)，實(shí)物如下圖所示：

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(dòng)器IVCR1401，以及60mΩ導阻的碳化硅開(kāi)關(guān)管IV1Q06060T4，用于同步整流驅動(dòng)的IVCO1A01隔離驅動(dòng)器控制同步整流管，可實(shí)現2500W高功率，同時(shí)最高轉換效率達98.7%的解決方案。

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

由于使用非線(xiàn)性環(huán)路控制，交流輸入，從空載到滿(mǎn)載，輸出電壓僅跌落38V，從滿(mǎn)載到空載，輸出電壓僅上升28V。

2.5kW Setup Load Up with AC Input

    2.5kW Setup Load Down with AC Input

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

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IVCC1102搭配氮化鎵(GaN)的圖騰柱PFC方案

近期珠海鎵未來(lái)科技公布了一款700W智能混合信號無(wú)橋圖騰柱 PFC+LLC量產(chǎn)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(lái)兩款低動(dòng)態(tài)內阻Cascode氮化鎵器件(G1N65R150TA和G1N65R050TB)，實(shí)現PFC級99.1%的極致轉換效率，系統總體滿(mǎn)載效率高達96.72%， 符合80PLUS鈦金能效。據悉，鎵未來(lái)G1N65R150TA和G1N65R050TB已經(jīng)正式量產(chǎn)。

珠海鎵未來(lái)科技采用GaN器件無(wú)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(xiàn)路效率無(wú)法提升的問(wèn)題。同時(shí)通過(guò)Cascode GaN的應用，解決圖騰柱PFC MOSFET反向恢復電荷Qrr過(guò)高的只能采用CRM工作模式的問(wèn)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(shí)也不犧牲功率密度，實(shí)現高達99.1%的轉換效率。

鎵未來(lái)700W GaN電源關(guān)鍵參數

鎵未來(lái)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(huán)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(mǎn)載效率≥96.72%，輸出電壓紋波＜300mV。

鎵未來(lái)700W GaN電源整機能效對比市面上普通在售Si MOS產(chǎn)品，半載測試下提高了接近2%的轉換效率，在滿(mǎn)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。

溫升測試:

上圖為鎵未來(lái)700W GaN電源方案在無(wú)散熱片情況下，25℃環(huán)境溫度下 110V/60Hz裸機連續運行1 小時(shí)的熱成像圖?？梢钥闯?，得益于GaNext優(yōu)異的GaN器件性能以及成熟的可靠性設計方案。700W GaN LED驅動(dòng)電源裸板正面的最大實(shí)測溫度僅為88.8℃。

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