英飛凌ICE3PCS01G搭配IGBT高效率2.5KW空調電源方案

這是一個(gè)用于測試 2.5 kW 功率因數校正 (PFC) 電路的平臺。它旨在評估使用 4 腳封裝的優(yōu)勢。
 

例如提高效率和信號質(zhì)量，并展示了包括 PFC 控制器、MOSFET 驅動(dòng)器和碳化硅二極管在內的完整 Infineon 解決方案。
 

文件中提供了關(guān)于如何使用該評估板、CoolMOS? C7 MOSFET 的性能表現以及四腳封裝的優(yōu)勢的信息，目標讀者是經(jīng)驗豐富的電源電子工程師和技術(shù)人員。

? 評估板的目的與組成

? 此評估板旨在評估TO-247 4針 CoolMOS? C7 系列 MOSFET的性能。

它是一個(gè)完整的 Infineon 解決方案示例，包含PFC控制器、MOSFET驅動(dòng)器和碳化硅（SiC）二極管。

目的是幫助客戶(hù)熟悉此評估板，并研究傳統3針元件與高性能TO-247 4針CoolMOS?元件在PFC應用中的不同表現。

此評估板適用于實(shí)驗室使用。
 

? 主要元件

?CoolMOSTM C7 (IPZ60R040C7)強調其極低的導通和開(kāi)關(guān)損耗，以及在高開(kāi)關(guān)頻率下縮小磁性元件和提高功率密度的能力。其 Eoss 降低在輕載時(shí)有助于提高效率，低 Qg 值則能實(shí)現更快的開(kāi)關(guān)速度和更低的 Eon 與 Eoff，從而在整個(gè)負載范圍內提高效率。

?thinQ TM SiC 二極管第五代 (IDH16G65C5)展示了英飛凌在SiC肖特基二極管方面的領(lǐng)先技術(shù)，具有改善的熱特性和更低的品質(zhì)因數（Qc*Vf），可在所有負載條件下提高效率，并提供高達100 V/ns的dv/dt強固性，非常適合搭配快速切換的CoolMOSTM C7系列。

?CCM-PFC 控制器 (ICE3PCS01G)專(zhuān)為 PC、服務(wù)器和電信等需要高效率和優(yōu)異功率因數的電源應用而設計。它具有數字集成的電壓回路補償，可實(shí)現更好的動(dòng)態(tài)響應和更低的設計難度。其開(kāi)關(guān)頻率可調，并可與外部頻率同步。

?柵極驅動(dòng) IC (EiceDRIVERTM Compact IEDI60N12AF)基于核心變壓器 (CT) 技術(shù)，支持 3pin 和 4pin 封裝的 CoolMOSTM9 ...。CT 技術(shù)提供高達 1200 V 以上的隔離，并具有高速和優(yōu)異的共模瞬態(tài)抗擾性 (CMTI)，這對于快速電壓瞬變下驅動(dòng) MOSFET 至關(guān)重要3 ...。此驅動(dòng)器具有 6 A 的輸出能力，足以快速切換 19 mΩ 的 CoolMOSTM1。
 

? 4pin 封裝的優(yōu)勢

?TO-247 4pin封裝的第四個(gè)引腳作為克爾文源極 (Kelvin source)，可以顯著(zhù)降低功率MOSFET源極引腳的寄生電感，從而提高硬切換拓撲的效率。

?在 CCM PFC 等應用中，與標準 TO-247 3pin 封裝相比，切換損耗最多可降低 8%在 1.2 kW 的連續導通模式（CCM）功率因數校正（PFC）中，相當于節省 3.5 W 的功率，或提高0.3%的滿(mǎn)載效率。

評估板可以測試 3pin 或 4pin（帶源極感測）配置的相同元件13。標準設置為 4pin 配置，可以通過(guò)跳線(xiàn)切換至 3pin 配置進(jìn)行比較。

?使用4pin封裝可以實(shí)現更快的切換行為和更干凈的柵極波形，并改善系統穩定性。

? 主要功能和操作

?升壓型 PFC 轉換器評估板采用升壓型 PFC 轉換器。

?CCM 操作控制器 ICE3PCS01G 以連續導通模式 (CCM) 運行，實(shí)現接近單位功率因數。

?雙回路控制IC采用級聯(lián)控制，包括內部電流環(huán)路和外部電壓環(huán)路20。電流環(huán)路控制平均輸入電流的正弦波形，電壓環(huán)路數字控制輸出電壓。

?軟啟動(dòng)在啟動(dòng)期間，當輸出電壓低于額定值的96%時(shí)，IC內部電壓回路輸出線(xiàn)性增加，從而控制輸入電流線(xiàn)性增加，減少元件的電流應力。

?柵極切換頻率可調可通過(guò)外部電阻 RFREQ (R31) 設置，范圍為 21 kHz 至 250 kHz，默認值為 65 kHz。

?保護功能包括開(kāi)路保護 (OLP)、第一過(guò)壓保護 (OVP1)、峰值電流限制 (PCL)、IC 供電欠壓鎖定 (UVLO) 和輸出電壓監控與使能功能 (VBTHL_EN)

? 熱管理

評估板針對橋式整流器和功率MOSFET/二極管采用不同的散熱管理。橋式整流器使用可調速風(fēng)扇散熱。

? 主要散熱器同時(shí)具備冷卻和加熱功能，可以將散熱器加熱到目標溫度（默認設定為50°C）進(jìn)行測試34 ...。也可以選擇僅使用內部冷卻功能。

? 測試報告

? 包括在不同輸入電壓和負載條件下，使用4針配置的IPZ60R040C7的效率測試結果，顯示在高壓輸入時(shí)效率可達98%以上。

?比較了 3pin 和 4pin 配置的效率曲線(xiàn)證明4針配置可以提高效率

? 提供了在不同配置和切換頻率下傳導EMI測試結果并說(shuō)明了如何修改EMI濾波器以符合EN55022標準展示了軟啟動(dòng)的行為輸入電流呈線(xiàn)性增加

? 其他重要注意事項

?安全警告評估板包含高電壓，操作時(shí)需由經(jīng)驗豐富的工程師和技術(shù)人員進(jìn)行，并注意高溫燙傷風(fēng)險。操作后，DC-Link 電容可能仍存儲高能量，需等待 LED1 熄滅后再觸摸。

?輸入限制最大輸入電流為 14 A，在低壓輸入（90 VAC）下需相應降低輸出功率以避免超過(guò)電流限制。

?輸出功率限制正常輸出功率設計為2.5 kW，峰值輸出功率可達3000 W，但不建議長(cháng)時(shí)間在此功率下運行以避免元件過(guò)熱。

?EMC濾波器板上的EMC濾波器設計用于涵蓋廣泛應用，但EMC性能高度依賴(lài)應用設置和負載條件，可能需要額外調整。

?啟動(dòng)步驟簡(jiǎn)述了連接輸入、輸出和選擇性外部電源以啟動(dòng)散熱風(fēng)扇的步驟。

?輸入連接提供兩個(gè)輸入連接器以方便精確的功率測量。

?源極連接選項詳細說(shuō)明了 MOSFET 柵極驅動(dòng)器的源極連接方式，可以選擇不同的跳線(xiàn)配置來(lái)測試 3pin 和 4pin 元件，以及低電感柵極驅動(dòng)。

總之，這份應用筆記詳細介紹了 Infineon 的 2.5 kW PFC 評估板 EVAL_2.5KW_CCM_4PIN，重點(diǎn)在于評估 4pin CoolMOS? C7 MOSFET 在 PFC 應用中的優(yōu)勢，特別是在效率和信號質(zhì)量方面。它提供了電路描述、操作原理、保護功能、熱管理、測試結果以及安全和使用注意事項，對于希望使用此評估板或了解相關(guān)技術(shù)的工程師和技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是非常重要的參考資料。

?場(chǎng)景應用圖

?產(chǎn)品實(shí)體圖

?展示板照片

?方案方塊圖

?核心技術(shù)優(yōu)勢

? 采用 TO-247 4pin CoolMOS? C7 MOSFET： ? 極低的導通和開(kāi)關(guān)損耗：這使得在高開(kāi)關(guān)頻率下運行成為可能，有助于縮小磁性元件尺寸并提高功率密度。 ? Eoss 降低：在輕載時(shí)有助于提高效率。 ? 低柵極電荷 (QG)：實(shí)現更快的開(kāi)關(guān)，并降低導通損耗 (Eon) 和關(guān)斷損耗 (Eoff)，從而在整個(gè)負載范圍內提高效率。 ? 易于使用和實(shí)施。 ? 廣泛的產(chǎn)品組合，可滿(mǎn)足服務(wù)器、PC 電源、電信整流器和太陽(yáng)能等硬開(kāi)關(guān)應用的特定需求。 ? 提供市場(chǎng)上最低的單位封裝導通電阻 (RDS(on))。 ? TO-247 4pin 封裝的優(yōu)勢：第四個(gè)接腳作為克爾文源極 (Kelvin source)，可以顯著(zhù)降低功率 MOSFET 源極引腳的寄生電感，從而提高硬開(kāi)關(guān)拓撲的效率。在 CCM PFC 等應用中，與標準 TO-247 3pin 封裝相比，開(kāi)關(guān)損耗最多可降低 8%，在 1.2 kW 的 CCM 模式 PFC 中相當于節省 3.5 W 的功率，或提高 0.3% 的滿(mǎn)載效率。 ? 使用 thinQ!? SiC 第五代二極管 (IDH16G65C5)： ? 代表 Infineon 在 SiC 肖特基二極管方面的領(lǐng)先技術(shù)。 ? 結合了改進(jìn)的散熱特性和更低的品質(zhì)因數 (Qc*Vf)，可在所有負載條件下提高效率。 ? 提供高達 100 V/ns 的 dv/dt 強固性，非常適合搭配快速開(kāi)關(guān)的 CoolMOS? C7 系列。 ? 采用 CCM-PFC 控制器 (ICE3PCS01G)： ? 專(zhuān)為 PC、服務(wù)器和電信等需要高效率和優(yōu)異功率因數的電源應用而設計。 ? 具有數字整合的電壓回路補償，可實(shí)現更好的動(dòng)態(tài)響應和更低的設計難度。 ? 高度整合的設計，最大限度地減少了周邊元件數量。 ? 柵極開(kāi)關(guān)頻率可調，范圍從 21 kHz 到 250 kHz，并且能夠與 50 kHz 到 150 kHz 的外部開(kāi)關(guān)頻率同步。 ? 支持連續導通模式 (CCM)，以實(shí)現接近單位功率因數。 ? 具有平均電流控制。 ? 配備多種保護功能，確保系統和設備的安全運行。 ? 采用柵極驅動(dòng) IC (EiceDRIVER? Compact IEDI60N12AF)： ? 基于 CT (Coreless Transformer) 技術(shù)，支持 3pin 和 4pin 封裝的 CoolMOS?。 ? CT 技術(shù)提供超過(guò) 1200 V 的隔離，以及高速和非常好的共模瞬態(tài)抗擾性 (CMTI)，這對于在快速電壓瞬變下驅動(dòng) MOSFET 至關(guān)重要。 ? 6 A 的輸出能力足以快速開(kāi)關(guān) 19 mΩ 的 CoolMOS?。 ? 即使使用更高導通電阻的元件，強大的驅動(dòng)能力也有助于減少快速開(kāi)關(guān)時(shí)的柵極振蕩。 ? 具有 dv/dt ≥ 100 V/ns 的 CMTI，這對于快速開(kāi)關(guān)模式下從漏極到柵極信號的高轉換噪聲反饋是必需的。 ? 驅動(dòng)器的輸出具有獨立的正負輸出，便于調整 MOSFET 的導通和關(guān)斷行為。 ? TO-247 4pin 封裝的優(yōu)勢得以展現，實(shí)現非?？焖俚拈_(kāi)關(guān)行為和干凈的柵極波形，并提高系統穩定性?？藸栁脑礃O可以完全與電源路徑隔離。 總而言之，EVAL_2.5KW_CCM_4PIN 評估板的核心技術(shù)優(yōu)勢在于高性能的 CoolMOS? C7 MOSFET 及其創(chuàng )新的 4pin 封裝、先進(jìn)的 thinQ!? SiC 二極管、功能強大的 CCM-PFC 控制器以及高速高抗干擾的柵極驅動(dòng) IC 的完美結合。這種組合旨在實(shí)現更高的效率、更好的信號質(zhì)量和更高的功率密度，特別是在功率因數校正應用中。

?方案規格

? 輸入電壓：85 VAC~265 VAC ? 輸入電流：14 A ? 輸入頻率：47~63 Hz ? 輸出電壓和電流：400 VDC，6.25 A ? 輸出功率：約2.5 kW（當輸入電壓為230 VAC時(shí)） ? 平均效率 : 95%（在115 VAC時(shí)） ? 開(kāi)關(guān)頻率：可能范圍為40 kHz~250 kHz； ? 板載頻率設置為65 kHz； ? 可通過(guò)R20進(jìn)行更改 ? 功率開(kāi)關(guān)：4針和3針MOSFET