無論是大型商業(yè)建筑的中央空調(diào)系統(tǒng)還是熱泵型的家用空調(diào)，熱泵風(fēng)機(jī)都起著關(guān)鍵作用。它可以快速調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，為用戶提供舒適的室內(nèi)環(huán)境。

芯干線科技推出的三相 5KW 圖騰柱無橋 PFC 電源方案，以其高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，讓轉(zhuǎn)換速度可達(dá) 6M以上。當(dāng)將其應(yīng)用于熱泵風(fēng)機(jī)時(shí)，借助高效的風(fēng)機(jī)運(yùn)行機(jī)制，可以在保證制冷或制熱效果的同時(shí)，降低能耗，節(jié)省能源。

一、方案總體介紹

這款先進(jìn)的電源方案是芯干線與瑞薩攜手合作，通過共建的三代半數(shù)字電源研發(fā)實(shí)驗(yàn)室精心打造而成。其采用瑞薩 MCU 作為主控，實(shí)現(xiàn)了卓越的無橋 PFC 方案，具體規(guī)格如下：

1 、交流輸入整流功能

3相輸入相電壓220V，頻率45Hz到60Hz.輸出電壓700V額定電壓。輸出功率5KW.80K的開關(guān)頻率，PF值0.99，THD小于5%.最高效率達(dá)到97%。

2 、離線逆變器功能

直流電壓700V，輸出3相相位相差120度的380V離線逆變器，輸出功率5KW，開關(guān)頻率80K.輸出頻率50Hz,THD5%,最高效率不低于97%。

二、5KW三相圖騰柱PFC方案板圖

本方案采用三相無橋的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其開關(guān)管選用在業(yè)界擁有卓越口碑的南京芯干線品牌的 SIC MOS，具體型號(hào)為 X2M120075T4B。

該器件內(nèi)阻 Ron 僅為 75mR，耐壓高達(dá) 1200V，即便在 100℃的高溫環(huán)境下，仍可穩(wěn)定承受 28A 的額定電流。其門級(jí)輸入電容 Ciss 為 1.2nF，能夠支持高達(dá) 200kHz 的開關(guān)頻率，并且內(nèi)置了高性能的 SIC Diode，具備出色的沖擊承受能力。在高壓電能變換場景中，這些特性使其優(yōu)勢(shì)盡顯，相較于 IGBT 更是有著顯著的優(yōu)越性。

三、方案優(yōu)勢(shì)

1、高速數(shù)據(jù)運(yùn)算:主控制器Renesas的RA6T2BD3C為高性能數(shù)字電源專用控制器,主核工作頻率為240MHz，ARM33核，并且具有浮點(diǎn)運(yùn)算單元；

2、高分辨率PWM驅(qū)動(dòng):高達(dá)10個(gè)通道的通用PWM定時(shí)器，可以產(chǎn)生足夠多的驅(qū)動(dòng)來完成復(fù)雜的3相正弦波控制，能夠以合適的開關(guān)頻率提高產(chǎn)品的功率密度；

3、多達(dá)29個(gè)模擬轉(zhuǎn)換輸入通道，并且2個(gè)獨(dú)立的AD轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)6M以上，可以減少相位延遲，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性;

4、三相圖騰柱PFC拓?fù)?三相交流220V與母線電壓大約700V，可以實(shí)現(xiàn)雙向 AC-DC變換運(yùn)行，并且使用空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM技術(shù);

5、利用RA6T2的AD采樣確定3相電壓的正負(fù)半周切換，使用軟件鎖相環(huán)去鎖相采樣電壓與真實(shí)的電網(wǎng)電壓同相且同頻率，實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)的整流功能，軟件過零檢測電路用于檢測電網(wǎng)電壓狀態(tài)。

四、工作原理

該方案的輸出電壓700V為設(shè)計(jì)目標(biāo)，因此控制電路有兩個(gè)目標(biāo)。第一，要求將輸出電壓穩(wěn)定在700V。第二，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)的電壓和電流同相位。

利用鎖相環(huán)得到三相電壓實(shí)時(shí)的一個(gè)角度，如圖1所示。

圖1 PLL

將得到的角度參與到三相電壓和電流的DQ坐標(biāo)變換，得到Vd，Vq和Id,Iq。如圖2所示。

圖2 電壓電流坐標(biāo)變換

得到所有需要的參數(shù)之后，下階段是控制輸出電壓穩(wěn)定在700V。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制框圖如圖3所示。

圖3 前饋解耦PI控制系統(tǒng)框圖

如圖4所示為電壓電流雙環(huán)控制的一個(gè)仿真圖，和圖3原理一樣。將給定700V電壓與采集到的輸出實(shí)時(shí)電壓做差，經(jīng)過PI計(jì)算得到的數(shù)值作為電流內(nèi)環(huán)的給定值，再經(jīng)過圖3所示得控制原理得到Ud,Uq。Ud,Uq經(jīng)過反變換得到α和β參與到SVPWM的控制中之后即可得到調(diào)節(jié)輸出700V的所需的開關(guān)管占空比。

圖4 雙環(huán)控制框圖

圖5為電壓調(diào)節(jié)過程整體圖。

圖5 電壓調(diào)節(jié)整體圖

圖6為電壓電流相位同步的過程

圖6 三相電壓與電流波形

圖7為電壓上升到700V的過程，可以看出此時(shí)PWM需要的脈寬較大，來維持電壓上升的一個(gè)過程。

圖7 PWM脈沖和輸出電壓上升波形

圖8為輸出電壓穩(wěn)定在700V的過程，看出此時(shí)PWM的脈寬減小，正弦度變化趨勢(shì)的脈寬維持高功率因數(shù)輸出。

圖8 PWM脈沖和輸出電壓穩(wěn)定波形

無論是住宅領(lǐng)域、商業(yè)建筑領(lǐng)域，還是工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，溫控系統(tǒng)中熱泵風(fēng)機(jī)的應(yīng)用都非常廣泛切起著關(guān)鍵的作用。

熱泵風(fēng)機(jī)能夠有效地將熱量在室內(nèi)外進(jìn)行交換，滿足溫控系統(tǒng)的需求。芯干線科技的三相5KW圖騰柱無橋PFC電源方案的良好性能，將有助于溫控系統(tǒng)熱泵風(fēng)機(jī)的的穩(wěn)定高效運(yùn)行。

南京芯干線的第三代寬禁帶半導(dǎo)體聚焦于高效、高頻、高密度應(yīng)用領(lǐng)域，以無畏的創(chuàng)新精神勇當(dāng)電力電子行業(yè)的先鋒力量，不斷推動(dòng)行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。