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[導(dǎo)讀]電能是現(xiàn)代社會運行的能量基礎(chǔ),電能通過電源設(shè)備進行規(guī)格轉(zhuǎn)換,將符合要求的電能輸送給用電設(shè)備。在電源設(shè)備轉(zhuǎn)換電能的過程中,會產(chǎn)生能量損耗。電源作為電能與用電設(shè)備的

電能是現(xiàn)代社會運行的能量基礎(chǔ),電能通過電源設(shè)備進行規(guī)格轉(zhuǎn)換,將符合要求的電能輸送給用電設(shè)備。在電源設(shè)備轉(zhuǎn)換電能的過程中,會產(chǎn)生能量損耗。電源作為電能與用電設(shè)備的接口無處不在,任何一點的損耗都會被極度放大,無論從成本角度還是從環(huán)境保護的角度,我們都不能忽視這些損耗,于是降低損耗,提高電源效率就成了科研和工程人員孜孜不倦的追求。

TDTTP4000W066B采用非隔離結(jié)構(gòu),具有功率因數(shù)校正(PFC)功能,采用圖騰柱拓撲,可以輸出4kW的功率,并且效率極值宣稱可達99%。電源板高效率得以實現(xiàn),阿主要得益于核心功率器件GaN FET。該器件具有低反向恢復(fù)電荷。通過GaN FET的使用,可以增加電源板功率密度,減小電路系統(tǒng)尺寸和重量,降低系統(tǒng)成本。

TDTTP4000W066B 開箱

外包裝采用白色瓦楞紙包裝盒,表面貼產(chǎn)品簡介貼紙,簡潔實用。不過從視覺上中規(guī)中矩,如果包裝更精美一些,絕對提高印象分。

 

 

打開盒子,可以看到盒子頂部和底部分別有25mm厚的減震海綿。盒子內(nèi)部有防靜電包裝袋密封的電源評估板,快速指導(dǎo)說明書,評估板輔助電源。

 

 

評估板主要電性能參數(shù):

輸入電壓: 85VAC ~ 265VAC, 47Hz ~ 63Hz

輸入電流: 18A(2000W at 115VAC)或(4000W at 230VAC) 10% 短時過載

環(huán)境溫度 <50?C

輸出電壓: 387VDC ± 5VDC

PWM 頻率: 66kHz

輔助電源12VDC

尺寸:225mmX152mmX85mm

相關(guān)資料

對于TDTTP4000W066B ,Transphorm在其官網(wǎng)上提供了非常詳細的資料,包括電源板的技術(shù)文檔,設(shè)計文件和BOM(元器件明細)。

 

 

 

 

 

 

硬件介紹

打開防靜電包裝袋,取出電源板。作為功率4kW的電源,它的尺寸著實驚到了筆者,因此筆者特地去幾家大型電子器件網(wǎng)站查了相關(guān)電源類產(chǎn)品,同功率等級電源產(chǎn)品極少,只找到一款,且體積比此電源板大的多。下圖是電源評估板和紅米5 PLUS的對比??梢?,該電源板功率密度是極高的。

 

 

電源板的元器件絕大多數(shù)放置在電路板正面,從下圖中可以看到元器件并不是很擁擠,能明顯的看到元器件之間的間隔。大部分空間被電感、電容占據(jù)。電路板的背面,有少量元器件,主要有9個尼龍支柱,便于電源板的放置。

 

 

輔助電源12VDC,給控制卡和散熱風(fēng)扇供電。

 

 

控制卡采用TI的TMDSCNCD28335,該卡控制核心基于TMS320F28335芯片,可以單獨購買??刂瓶ú迦肟ú?,并用卡子卡住用來防震。

 

 

如下圖所示,4kW的功率是通過兩個GaN FET和兩個MOSFET輸出,GaN FET和MOSFET與一白色墊塊接觸,白色墊塊與散熱器接觸,接觸面涂導(dǎo)熱硅脂。GaN FET通過螺釘緊固,MOSFET通過夾子夾緊。資料中無白色墊塊介紹,筆者認為白色墊塊是某種散熱材料,用在這里適配FET與散熱器之間的距離。散熱通過兩個風(fēng)扇強制風(fēng)冷一塊小小的散熱器完成。[!--empirenews.page--]

 

 

需要著重介紹一下GaN FET,作為電路核心功率器件,本電源板使用的是Transphorm公司的TP65HO35WS 650V、35 mΩ。該器件結(jié)合了先進的高電壓 GaN HEMT 和低電壓硅 MOSFET 技術(shù),具有出色的可靠性和性能。TP65HO35WS通過更低的柵極電荷、更低的交越損耗和更小的反向恢復(fù)電荷Qrr,提升了硅器件的效率。TP65H035WS封裝為TO-247,封裝形式和內(nèi)部結(jié)構(gòu)見下圖。

 

 

TP65H035WS關(guān)鍵參數(shù)見下表

 

 

TP65H035WS應(yīng)用拓撲結(jié)構(gòu)見下表

 

 

電源板采用圖騰柱式無橋PFC拓撲,相比傳統(tǒng)的Dual-boost效率更高,成本更低。傳統(tǒng)拓撲需要2個MOSFET,2個電感,2個碳化硅二極管(D1,D2)。采用GaN FET的圖騰柱無橋PFC只要一個電感,2個GaN FET,另D1,D2可以用二極管或等同內(nèi)阻的MOSFET以實現(xiàn)更高效率。

 

 

圖騰柱式無橋PFC拓撲中,GaN FET Q1、Q2組成高頻支路,工作在66kHz頻率下。MOSFET S1、S2組成低頻支路,工作在工頻(50/60Hz)。在輸入電壓正半周期,S1開通,S2關(guān)斷。此時,高頻支路有兩個模態(tài):Q1導(dǎo)通,Q2關(guān)斷,外部電源給電感L充電,電容負責(zé)為負載供電,電流走向見下圖。當Q1關(guān)斷,Q2導(dǎo)通時,外部電源和電感共同給負載和電容供電。在輸入電壓負半周期,S2開通,S1關(guān)斷,同理,高頻支路同樣有兩個模態(tài)。在Q1,Q2開關(guān)切換的死區(qū)時間,電感電流方向不變,通過GaN FET的體二極管續(xù)流。

 

 

最終,電能在電源板中的路徑如下圖藍色箭頭所示。

 

 

電源評估板上電測試

測試環(huán)境:輸入使用10KW自耦調(diào)壓器,輸出負載使用純阻性大功率電阻箱,輸入輸出分別使用電壓表電流表監(jiān)控,溫度使用熱像儀監(jiān)測。

注意,先上控制電,再上功率電;先斷功率電,再斷控制電。

 

 

電源板上電實測前,截了一張非PFC校正的電壓電流波形,作為參照。如下圖所示,電流波形畸變嚴重,含有大量的高次諧波,電能損耗很大,對電網(wǎng)也是嚴重污染。

 

 

經(jīng)過電源板進行PFC校正后,電壓電流波形,如下圖所示。從圖中可以看出,經(jīng)過PFC校正后的電流波形與電壓波形基本一致,在負半周期向正半周期轉(zhuǎn)變的過零點,兩波形重合,在一個周期內(nèi),電流波形稍稍超前電壓波形。

 

 

校正前后,波形對比非常明顯。

下面是實際的一些測試結(jié)果,其中在230V中載的時候效率高達恐怖的99%。

230V滿載測試情況:

 

 

230V中載測試情況:

 

 

TDTTP4000W066B電源板實際測試效率計算如下表:

 

 

從上表我們可以看出,輸出電壓還是非常穩(wěn)定,高效區(qū)比較寬,我們在測試的過程中發(fā)現(xiàn)多數(shù)效率都在98.5%以上,并且實測部分在230V輸入電壓時中載時刻最高的效率接近99%。同時也由于測試環(huán)境、測試條件的限制,還是沒能測到官方的最高效率值,有些遺憾。但即便是現(xiàn)在所測的效率,也是絕對有競爭力的。目前來看,該電源板是在售同功率等級產(chǎn)品中效率最高的。筆者的測試,模擬負載過程接近于實際工況,所測參數(shù)對終端客戶具有較強的參考價值。

小結(jié)

高效的意義,不僅僅是節(jié)約了電能,節(jié)省電費開支。高效率還對應(yīng)著低損耗,散熱少,整體電源系統(tǒng)在熱設(shè)計上的壓力就會減少,結(jié)構(gòu)隨即減小,重量降低,電源的設(shè)計和制造成本就會減少,產(chǎn)品會更有競爭力。Transphorm 的TDTTP4000W066B電源評估板很好的體現(xiàn)了上述意義。設(shè)計清晰明了,控制部分是德州的DSP,主電路結(jié)構(gòu)為圖騰柱式無橋PFC。4000W功率的PFC電感直徑達到了70mm。主控管使用了氮化鎵,氮化鎵沒有反向恢復(fù)問題,效率高,開關(guān)速度快。

從該電源評估板的電壓輸入和輸出,功率輸出來看,筆者推測該電源板的設(shè)計標的極有可能是電動汽車充電器。隨著電動汽車越來越普及,該電源板的大功率高效特性必定可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

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