评测 | 符合80Plus Titanium标准的英飞凌1600W谐振工作模式数字电源

与非网2019-02-10 13:28:18

爱板网供稿


随着整个社会对低碳环保生活越来越重视,减少能源消耗要求也越来越高,超高效率的电源设备需求也越来越大。英飞凌作为全球顶级功率器件供应商之一,不仅能够提供最先进的功率器件,也能提供最先进的电源解决整体方案。


为了提高效率减少功率损耗,LLC谐振电源技术应运而生,特别是近期发展迅猛,各大厂商都推出了自己的解决方案。与传统的PWM调制变换器不同,LLC是一种通过控制开关频率来实现输出电压恒定的新型控制技术。简单地说就是当控制原边侧开关管的频率与谐振LC电路的中心频点靠近时输出最大电流,远离时减小电流的输出,加上后级的滤波实现稳定的电压输出。在谐振变换电路中流过开关管的电流为正弦波不是方波,可以通过软开关技术使开关管在正弦电流过零处导通和关断。这样就可以降低电源的开关损耗,实现极高的效率与功率密度。


今天笔者有幸拿到英飞凌最新的一款超高效率的谐振电源参考设计评估板EVAL_1K6W_PSU_G7_DD。这块评估板是一套完整的服务器电源系统解决方案,在超小的体积内容量高达1600W,完全符合80Plus® Titanium® 标准。电源使用双向开关的连续导通模式(CCM)无桥功率因数校正器(PFC)和半桥LLC DC-DC谐振转换器组成。同时使用了英飞凌最新的600V CoolMOS™G7技术MOS管和650V CoolSiC™G6技术碳化硅肖特基二极管,且都采用了顶层散热DDPAK封装。


EVAL_1K6W_PSU_G7_DD开箱

英飞凌的包装就是霸气,质感十足,高端大气,气宇非凡。



打开箱子,里面有电源主机、测试转接卡、器件样品、数据U盘、引导手册、服务信息等,同时还将电路原理图贴在了盖子上面,方便查看,但是美中不足的是原理图经过压缩,不是很清晰,看起来有点吃力。



电源主要电性能参数:


  • 输入电压:176-265 Vac

  • 输出电压:12.2 Vdc

  • 最大输出电流:132.0 A

  • 输出功率:1600W

  • 开关频率:PFC 65 kHz 、LLC 160 kHz (谐振频率)

  • 峰值效率:96%

  • 尺寸:190mmx80mmx55mm


主机由亚克力外壳完全罩住,上面还有英飞凌的大LOGO,里面的电路与器件一览无余。电源体积较小,还配有散热风扇。输出接口采用插片式金手指。



主机前面板和底面是钣金结构。从图中红圈处我们可以发现亚克力外壳被EMI部分的共模电感顶凸出了一部分。



拆掉外壳,内部清晰图。整体结构相当的紧凑,为了实现超高的功率密度,几乎用完了所有空间,没有一点多余。



前面板有12V 0.49A的抽风式散热风扇。后部插片,通讯与控制信号线都有在金手指上引出。



为了方便测试,评估套件还配备测试专用的转接卡,极大地方便了测试。转接卡有大电流的接线座和电源开关,甚至还有纹波测试的专用插座,真是周到。



测试转接卡具体功能定义如下所示:



开发套件附带的U盘里有详细的资料介绍与BOM文档,如下图所示:



为了更直观地体现这款电源套件的功率密度,我们放一款2000W的电源来做一下体积对比,如下图所示,功率只小了400W,但是体积却要比2000W电源小一半左右。



硬件分析

“EVAL_1K6W_PSU_G7_DD”评估套件使用了双向开关的连续导通模式(CCM)无桥功率因数校正器(PFC)和半桥LLC DC-DC谐振转换器的组合。下图为各部分的分布情况,从左至右依次为红色是输入浪涌抑制与EMI滤波部分,绿色为PFC功率因数校正部分,粉色是PFC与半桥功率管板卡,蓝色为LLC DC-DC谐振转换器部分,紫色为辅助电源部分,橙色为控制板。


在AC输入连接器之后是保险丝和NTC浪涌电流限制器与输入继电器,然后是两级EMI滤波器。在电路板的中间部分放置ACDC级,包括大容量电容器。最后是DC-DC转换器。并联控制用MOSFET和输出连接器位于右侧。此外,辅助电源为驱动和控制电路供电。控制板沿电源侧面放置,通过一个可插拔连接器连接。风扇由MCU控制,可以根据温度调速。



详细的布局与安装图,可以在英飞凌官网“EVAL_1K6W_PSU_G7_DD”评估板简介“ Interactive 3D board model”中查看,3D效果如下图所示:



套件中功率管使用了顶部冷却DDPAK封装,在PFC和LLC中使用CoolMOS™G7晶体管可以减少由于Eoss和RDS(on)造成的损耗。CoolSiC™G6二极管较低的正向压降,有助于降低二极管损耗。较低的损耗和顶部冷却小型SMD封装,使得PFC电路与LLC半桥开关管可以安装在同一个散热器上,通过使用压力夹连接。可实现高功率密度设计,同时具有优化的环路,因此具有低寄生电感。如下图所示:



顶部冷却DDPAK封装,看起来确实很漂亮,也易于做散热设计。套件提供的样片如下图所示,MOS管IPDD60R050G7、IPDD60R150G7与二极管IDDD08G65C6。



IPDD60R050G7与IPDD60R150G7参数如下图所示:



IDDD08G65C6参数如下图所示:



EVAL_1K6W_PSU_G7_DD的功能拓扑图如下图所示。电源使用双向开关的连续导通模式(CCM)无桥功率因数校正拓扑和带有同步整流(SR)的半桥LLC DC-DC谐振转换拓扑,同时在输出端还有并联控制用MOSFET开关。



PFC级的开关频率为65 kHz。大容量电容820uF的设计能够提供100%负载下10ms的保持时间。PFC功能是由英飞凌XMC1402微控制器通过软件控制实现的。


DC-DC级是具有中心抽头变压器和SR的LLC谐振拓扑。所实现的谐振回路的谐振频率为160kHz,并且允许工作开关频率在52kHz至300kHz的范围内移动。


输出电压为12.2 V,额定输出电流为132 A。LLC控制由XMC4200英飞凌微控制器通过软件控制实现,包括稳压器,轻载打嗝模式,输出过流保护(OCP)和过压保护(OVP)以及CoolMOS™和OptiMOS™安全工作的定时器配置。在辅助控制器中有I2C功能,可以实现PM总线通信。


电源板底面器件分布图如下所示:



电源板辅助电源采用了型号为ICE2QR2280G的反激PWM控制器。该控制器内置了800V耐压的CoolMOS™开关管,简化了设计。原理框图如下所示:



控制板器件功能分布图如下所示:



两个控制器特性如下图所示:



板卡上电测试

本次测试使用一台调压AC源为板卡供电,使用电子负载加载电流。同时使用两台数字万用表来监测输入和输入口的电压。输入AC电压测试点,我们放在了AC连接器后面,消除AC线缆来带的误差。输出电压测试点,我们放在了转接板电源连接器上。电子负载与万用表接线如下所示:



板卡输出端接线如下所示,在输出端接了示波器来测试电源纹波。专用的探头座子确实方便,直接将探头去掉接地线和钩子后,插进去即可。输出电压测试点在螺丝柱上。



由于电源满功率为1600W,这里使用的电子负载单路模块为600W,所以我们将分三路接入到电子负载中,通过分别调整每一路的电流,实现1600W负载。



示波器与AC源如下所示:



搭建好测试环境后,进行测试。测试内容包括在不同负载下的效率,功率因数以及输出纹波。在230V输入下分别测试了10%、20%、50%、100%负载下的情况,260V输入下测试了50%、100%负载情况。由于在低压180V时,测试用AC电源在满载1600W时会过流保护,这里只测试了800W时的输出情况。


具体数据见下表。



从上表我们可见效率还是相当不错的,230V输入时50%负载时达到了94.58%,100%负载时也有94.18%。在180V时50%负载时效率竟然达到了96.88%。整个测试输出纹波都非常好,在200mV以内。功率因数也是随着负载变大,越来越高,在满负载时最高达到了0.996。同时稳压精度也是比较好的,一直保持在12.2V与标称一样。


小结

EVAL_1K6W_PSU_G7_DD提供一套高效率、高功率密度的数字电源解决方案。PFC级与LLC级都使用了MCU进行软件控制,使得能够根据硬件器件特性较好地实现优化,提高效率与可靠性,简化了电路设计,但是对软件开发人员要求较高,既要能够灵活运用MCU,又要对数字电源技术有很深地了解。同时电源有很高的功率密度。由于存在测量误差,基础电性能测试与标称基本一致,基本符合80Plus® Titanium®标准。


总的来说这是一款很不错的高效率数字电源解决方案。



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