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Infineon 2EDN7(8)52x系列2500W圖騰柱全橋PFC解決方案

來(lái)源:
2025-05-23
類別:工業(yè)控制
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文章創(chuàng)建人 拍明芯城

Infineon 2EDN7(8)52x系列2500W圖騰柱全橋PFC解決方案深度解析

在電力電子技術(shù)領(lǐng)域,功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)對(duì)于提高系統(tǒng)效率、降低諧波污染、提升電能質(zhì)量具有至關(guān)重要的作用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展,以氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料逐漸成為構(gòu)建高性能PFC電路的核心器件。Infineon 2EDN7(8)52x系列雙路氮化鎵驅(qū)動(dòng)器作為一款先進(jìn)的功率半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)解決方案,在2500W圖騰柱全橋PFC應(yīng)用中展現(xiàn)出卓越的性能優(yōu)勢(shì)。本文將從系統(tǒng)架構(gòu)、元器件選型、器件作用、選型依據(jù)及功能特性等方面,對(duì)這一解決方案進(jìn)行全面深入的剖析。

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一、系統(tǒng)架構(gòu)與核心設(shè)計(jì)理念

2500W圖騰柱全橋PFC解決方案的核心在于采用圖騰柱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)的整流橋,通過(guò)消除二極管整流橋的導(dǎo)通損耗,顯著提升系統(tǒng)效率。該方案主要由輸入濾波器、圖騰柱全橋功率級(jí)、輸出濾波器以及控制電路四部分構(gòu)成。其中,圖騰柱全橋功率級(jí)作為能量轉(zhuǎn)換的核心環(huán)節(jié),采用兩個(gè)高頻開(kāi)關(guān)管(如GaN HEMT)和兩個(gè)低頻開(kāi)關(guān)管(如CoolMOS? MOSFET)組成,通過(guò)精確的PWM控制實(shí)現(xiàn)輸入電流的正弦化,從而達(dá)到功率因數(shù)校正的目的。

二、優(yōu)選元器件型號(hào)及其核心作用

1. 2EDN752x/2EDN852x系列氮化鎵驅(qū)動(dòng)器

器件作用
作為圖騰柱全橋功率級(jí)中高頻開(kāi)關(guān)管(GaN HEMT)的驅(qū)動(dòng)核心,2EDN752x/2EDN852x系列驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為能夠快速驅(qū)動(dòng)GaN器件的電壓和電流信號(hào)。其雙通道獨(dú)立驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì),能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)GaN HEMT,確保開(kāi)關(guān)管在高頻下的快速開(kāi)通與關(guān)斷,減少開(kāi)關(guān)損耗,提升系統(tǒng)效率。

選型依據(jù)

  • 高驅(qū)動(dòng)能力:輸出沉電流和源電流均達(dá)5A,能夠滿足GaN HEMT快速開(kāi)關(guān)的需求。

  • 低傳輸延遲:通路到通路間傳輸時(shí)延僅為1ns,確保兩路并聯(lián)使用時(shí)的高同步性。

  • 寬輸入電壓范圍:控制和使能輸入兼容LV-TTL(CMOS 3.3V),輸入電壓范圍從-5V到+20V,適應(yīng)不同控制信號(hào)源。

  • 高可靠性:真正的軌到軌輸出級(jí)設(shè)計(jì),提升驅(qū)動(dòng)信號(hào)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

功能特性

  • 支持邏輯電平和正常電平MOSFET的驅(qū)動(dòng),兼容OptiMOSTM、CoolMOSTM、超級(jí)結(jié)MOSFET以及IGBT和GaN功率器件。

  • 內(nèi)置欠壓鎖定(UVLO)保護(hù)功能,防止驅(qū)動(dòng)器在電源電壓不足時(shí)誤動(dòng)作。

  • 提供可編程的死區(qū)時(shí)間設(shè)置,避免上下管直通短路。

2. CoolGaN? E模式HEMT(如IPG60R070C7)

器件作用
作為圖騰柱全橋功率級(jí)的高頻開(kāi)關(guān)管,CoolGaN? E模式HEMT利用其零反向恢復(fù)電荷的特性,實(shí)現(xiàn)高頻下的高效開(kāi)關(guān),顯著降低開(kāi)關(guān)損耗和EMI干擾。其低導(dǎo)通電阻和高擊穿電壓特性,使得在2500W功率等級(jí)下仍能保持高效穩(wěn)定的運(yùn)行。

選型依據(jù)

  • 零反向恢復(fù)電荷:消除傳統(tǒng)Si MOSFET因體二極管反向恢復(fù)帶來(lái)的額外損耗,適合高頻CCM模式運(yùn)行。

  • 低導(dǎo)通電阻:如IPG60R070C7的導(dǎo)通電阻僅為70mΩ,降低導(dǎo)通損耗,提升系統(tǒng)效率。

  • 高擊穿電壓:650V的擊穿電壓,適應(yīng)寬范圍輸入電壓(110Vac~265Vac)的應(yīng)用需求。

功能特性

  • 增強(qiáng)模式(E模式)設(shè)計(jì),無(wú)需外部負(fù)壓關(guān)斷電路,簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。

  • 表面貼裝封裝(SMD),便于自動(dòng)化生產(chǎn),降低成本。

  • 高溫穩(wěn)定性,支持175℃結(jié)溫,適應(yīng)惡劣工作環(huán)境。

3. CoolMOS? SJMOSFET(如IPW60R048C7)

器件作用
作為圖騰柱全橋功率級(jí)的低頻開(kāi)關(guān)管,CoolMOS? SJMOSFET負(fù)責(zé)在電網(wǎng)頻率下導(dǎo)通,與高頻GaN HEMT配合,實(shí)現(xiàn)輸入電流的精確控制。其超結(jié)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的低導(dǎo)通電阻和高開(kāi)關(guān)速度,使得在低頻下仍能保持高效運(yùn)行。

選型依據(jù)

  • 超結(jié)結(jié)構(gòu):降低導(dǎo)通電阻和開(kāi)關(guān)損耗,提升系統(tǒng)效率。

  • 高開(kāi)關(guān)速度:與GaN HEMT配合,實(shí)現(xiàn)高頻下的快速開(kāi)關(guān)。

  • 低導(dǎo)通電阻:如IPW60R048C7的導(dǎo)通電阻僅為48mΩ,降低導(dǎo)通損耗。

功能特性

  • 表面貼裝封裝(SMD),便于自動(dòng)化生產(chǎn)。

  • 高溫穩(wěn)定性,支持175℃結(jié)溫。

  • 內(nèi)置體二極管,提供反向續(xù)流路徑,簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。

4. ICE3 PFC控制器

器件作用
作為PFC電路的核心控制單元,ICE3 PFC控制器負(fù)責(zé)生成精確的PWM信號(hào),控制圖騰柱全橋功率級(jí)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)輸入電流的正弦化和功率因數(shù)校正。其內(nèi)置的電流環(huán)和電壓環(huán)雙環(huán)控制算法,確保系統(tǒng)在不同負(fù)載條件下均能保持高效穩(wěn)定的運(yùn)行。

選型依據(jù)

  • 高精度控制:支持CCM模式下的平均電流控制,實(shí)現(xiàn)高精度的功率因數(shù)校正。

  • 寬輸入電壓范圍:適應(yīng)110Vac~265Vac的寬范圍輸入電壓。

  • 高可靠性:內(nèi)置過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、短路等保護(hù)功能,確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

功能特性

  • 內(nèi)置軟啟動(dòng)功能,減少啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊。

  • 支持外部同步信號(hào)輸入,實(shí)現(xiàn)多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。

  • 提供可編程的開(kāi)關(guān)頻率和死區(qū)時(shí)間設(shè)置,適應(yīng)不同應(yīng)用需求。

5. 輔助電源模塊(如基于ICE5QSBG的QR-Flyback電路)

器件作用
輔助電源模塊負(fù)責(zé)為MCU、柵極驅(qū)動(dòng)器、風(fēng)扇等模塊提供穩(wěn)定的直流電源。其采用QR-Flyback拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),具有高效率、小體積、低成本等優(yōu)點(diǎn),適合在緊湊的電源系統(tǒng)中應(yīng)用。

選型依據(jù)

  • 高效率:QR-Flyback拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在輕載和滿載下均能保持較高的效率。

  • 小體積:采用高頻開(kāi)關(guān)技術(shù),減小變壓器和濾波電容的體積。

  • 低成本:采用集成度高的控制芯片和功率器件,降低系統(tǒng)成本。

功能特性

  • 內(nèi)置過(guò)壓、欠壓、過(guò)流保護(hù)功能,確保輔助電源的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

  • 支持寬范圍輸入電壓(如85Vac~265Vac),適應(yīng)不同地區(qū)的電網(wǎng)電壓。

  • 提供可編程的輸出電壓和電流限制功能,適應(yīng)不同負(fù)載需求。

三、元器件選型背后的技術(shù)考量

1. GaN HEMT與Si MOSFET的協(xié)同工作

在圖騰柱全橋PFC電路中,GaN HEMT作為高頻開(kāi)關(guān)管,負(fù)責(zé)在高頻下實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)關(guān),降低開(kāi)關(guān)損耗;而Si MOSFET作為低頻開(kāi)關(guān)管,負(fù)責(zé)在電網(wǎng)頻率下導(dǎo)通,與GaN HEMT配合實(shí)現(xiàn)輸入電流的精確控制。這種協(xié)同工作的方式,既發(fā)揮了GaN HEMT在高頻下的優(yōu)勢(shì),又利用了Si MOSFET在低頻下的穩(wěn)定性和成本效益。

2. 驅(qū)動(dòng)器與功率器件的匹配性

驅(qū)動(dòng)器與功率器件的匹配性對(duì)于系統(tǒng)的性能和可靠性至關(guān)重要。2EDN752x/2EDN852x系列驅(qū)動(dòng)器針對(duì)GaN HEMT的特性進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),如提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流、低傳輸延遲、寬輸入電壓范圍等,確保GaN HEMT能夠在高頻下實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)。同時(shí),驅(qū)動(dòng)器還內(nèi)置了多種保護(hù)功能,如欠壓鎖定、過(guò)流保護(hù)等,進(jìn)一步提升系統(tǒng)的可靠性。

3. 控制算法與系統(tǒng)性能的優(yōu)化

ICE3 PFC控制器采用先進(jìn)的平均電流控制算法,通過(guò)精確控制開(kāi)關(guān)管的占空比,實(shí)現(xiàn)輸入電流的正弦化和功率因數(shù)校正。同時(shí),控制器還內(nèi)置了多種保護(hù)功能,如過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、短路等保護(hù),確保系統(tǒng)在不同負(fù)載條件下均能保持高效穩(wěn)定的運(yùn)行。此外,控制器還支持外部同步信號(hào)輸入,實(shí)現(xiàn)多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行,滿足大功率應(yīng)用的需求。

四、系統(tǒng)性能與應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1. 高效率與高功率密度

通過(guò)采用GaN HEMT和CoolMOS? SJMOSFET等先進(jìn)功率器件,以及優(yōu)化的電路拓?fù)浜涂刂扑惴ǎ?500W圖騰柱全橋PFC解決方案實(shí)現(xiàn)了高達(dá)99%以上的轉(zhuǎn)換效率。同時(shí),系統(tǒng)采用緊湊的模塊化設(shè)計(jì),減小了體積和重量,提升了功率密度,適合在服務(wù)器、通信電源、DC/DC轉(zhuǎn)換器等對(duì)效率和功率密度要求較高的應(yīng)用中推廣使用。

2. 寬范圍輸入電壓與高功率因數(shù)

系統(tǒng)支持110Vac~265Vac的寬范圍輸入電壓,適應(yīng)不同地區(qū)的電網(wǎng)電壓。同時(shí),通過(guò)精確的功率因數(shù)校正算法,實(shí)現(xiàn)了高達(dá)0.99以上的功率因數(shù),降低了諧波污染,提升了電能質(zhì)量。

3. 高可靠性與易維護(hù)性

系統(tǒng)內(nèi)置了多種保護(hù)功能,如過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、短路等保護(hù),確保在不同負(fù)載條件下均能保持高效穩(wěn)定的運(yùn)行。同時(shí),采用模塊化設(shè)計(jì),便于維護(hù)和升級(jí),降低了系統(tǒng)的運(yùn)維成本。

五、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,圖騰柱全橋PFC解決方案將在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。未來(lái),隨著GaN和SiC等寬禁帶半導(dǎo)體材料的進(jìn)一步成熟和成本降低,以及控制算法和電路拓?fù)涞牟粩鄡?yōu)化,圖騰柱全橋PFC解決方案的性能將進(jìn)一步提升,成本將進(jìn)一步降低。然而,同時(shí)也面臨著一些挑戰(zhàn),如高頻下的EMI干擾問(wèn)題、器件的可靠性和壽命問(wèn)題等,需要行業(yè)內(nèi)外共同努力加以解決。

六、結(jié)論

Infineon 2EDN7(8)52x系列2500W圖騰柱全橋PFC解決方案通過(guò)采用先進(jìn)的GaN HEMT和CoolMOS? SJMOSFET等功率器件,以及優(yōu)化的電路拓?fù)浜涂刂扑惴ǎ瑢?shí)現(xiàn)了高效率、高功率密度、寬范圍輸入電壓和高功率因數(shù)等優(yōu)異性能。該方案在服務(wù)器、通信電源、DC/DC轉(zhuǎn)換器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,將為電力電子技術(shù)的發(fā)展注入新的活力。未來(lái),隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的進(jìn)一步降低,圖騰柱全橋PFC解決方案將在更多領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)用,為構(gòu)建高效、綠色、智能的電力電子系統(tǒng)做出更大貢獻(xiàn)。


責(zé)任編輯:David

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