概述
廣芯微電子（廣州）股份有限公司今日推出基于自主研發(fā)的高性能多功能微處理器芯片UM32G421開(kāi)發(fā)的10KW五電平直流供電系統(tǒng)的參考設(shè)計(jì)平臺(tái)。該平臺(tái)以單相220V交流電為輸入，輸出360V-400V可調(diào)直流電壓，采取自然散熱方式，在10%-100%全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超過(guò)98%的轉(zhuǎn)換效率，結(jié)合五電平拓?fù)鋷?lái)的超低紋波與諧波特性，非常適合應(yīng)用于對(duì)能效、功率密度、輸出電壓質(zhì)量（低紋波/低諧波）和可靠性要求較高的領(lǐng)域，為工業(yè)4.0、綠色數(shù)據(jù)中心及新能源領(lǐng)域提供高性能、高效能供電解決方案。
傳統(tǒng)多電平拓?fù)涫芟抻诳刂茝?fù)雜度與成本，難以規(guī)?；逃谩１敬瓮黄菩圆捎?strong>自研UM32G421芯片實(shí)現(xiàn)三大創(chuàng)新：
1. 五電平SiC變流拓?fù)洌?/strong>采用碳化硅五電平AC/DC 變流器，減少功率轉(zhuǎn)換器的損耗，10 – 100% 負(fù)載范圍內(nèi)效率大于98%，電流紋波低至4A（滿載46A），iTHD＜5%（50%負(fù)載起）。
2. 自適應(yīng)模塊化控制（AMC）：根據(jù)負(fù)載情況動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)工作模塊數(shù)量，確保整機(jī)最大效率的同時(shí)，輕載效率也獲得大幅提升。
3. 自主可控單芯片集成管理：全國(guó)產(chǎn)UM32G421作為主控芯片完成高效ACDC變換及AMC控制算法，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多重保護(hù)（輸入過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)功率、溫度保護(hù)、輸出過(guò)流、欠壓保護(hù)），BOM成本降低30%。
該平臺(tái)的核心優(yōu)勢(shì)如下：
·超高效率（>98% @ 10%-100%負(fù)載）： 這是最核心的優(yōu)勢(shì)。適用于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行、能耗成本敏感的應(yīng)用，如數(shù)據(jù)中心、通信基站、照明系統(tǒng)、工業(yè)生產(chǎn)線、充電樁、儲(chǔ)能系統(tǒng)。
·五電平拓?fù)洌?/strong> 輸出極低的輸出電壓紋波和THD的高質(zhì)量清潔電能。這對(duì)敏感電子設(shè)備和需要高精度控制的設(shè)備至關(guān)重要。同時(shí)也降低了EMI濾波需求，有助于提高功率密度。
·寬輸出范圍（360V-400V DC可調(diào)）： 適配多種需要高壓直流母線的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)（如HVDC 380V, 工業(yè)驅(qū)動(dòng)器母線）。
·寬負(fù)載范圍高效率： 適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用中負(fù)載波動(dòng)大的場(chǎng)景（如數(shù)據(jù)中心服務(wù)器負(fù)載變化、工業(yè)設(shè)備啟停）。
·單相220V AC輸入： 部署靈活方便，適用于普通市電環(huán)境，無(wú)需三相電，適合分布式部署。
平臺(tái)硬件方案介紹
在平臺(tái)的直流供電系統(tǒng)控制模塊中，主要組成部分包括主控MCU UM32G421，開(kāi)關(guān)管和Gate Driver等。通過(guò)獨(dú)立MCU控制，實(shí)現(xiàn)交流電壓輸入，直流電壓輸出。下圖是該直流供電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
直流供電系統(tǒng)硬件方案示意圖
主控芯片是廣芯微UM32G421采用ARM Cortex-M4F內(nèi)核，204MHz主頻，支持浮點(diǎn)運(yùn)算，支持DSP指令集，性能強(qiáng)大，集成了包括多路支持硬件移相的高精度PWM、高采樣率SAR ADC、硬件坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)運(yùn)算協(xié)處理器、豐富的外設(shè)接口等多種資源，可在-40~125℃穩(wěn)定工作，能夠滿足工業(yè)控制、汽車(chē)電子、新能源等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用需求。
平臺(tái)軟件方案介紹
對(duì)交流網(wǎng)進(jìn)行電壓、電流采樣，通過(guò)“調(diào)頻移相”控制方法實(shí)時(shí)計(jì)算出需要的開(kāi)關(guān)頻率和移相角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入220V/50Hz電網(wǎng)的交流電壓、電流的精確控制，以獲得高質(zhì)量的直流輸出電流。
直流供電系統(tǒng)軟件方案示意圖
直流供電系統(tǒng)平臺(tái) DEMO
下圖是廣芯微直流供電系統(tǒng)平臺(tái) DEMO板，包括主控MCU，SiC開(kāi)關(guān)管、驅(qū)動(dòng)器、電容等零部件。
直流供電系統(tǒng)DEMO板
平臺(tái)功能參數(shù)及測(cè)試波形
下圖是直流供電系統(tǒng)的效率、功率因數(shù)和電流總諧波失真曲線。由于采用了AMC控制，電源效率在大于10%負(fù)載下達(dá)到98%以上，峰值效率可達(dá)98.8%。一般情況下，效率高于98.5%。
下圖是直流供電系統(tǒng)在0.5kW和10kW輸出功率下的波形，說(shuō)明直流供電系統(tǒng)在不同功率下進(jìn)行可靠工作。
下圖是直流供電系統(tǒng)在啟動(dòng)以及步長(zhǎng)為1kW負(fù)載變化下的波形圖。說(shuō)明直流供電系統(tǒng)可以在不同的負(fù)載情況下，啟動(dòng)相應(yīng)的功率模塊數(shù)量，確保整機(jī)最大效率。
下圖是直流供電系統(tǒng)在0.5kW和6kW以及1kW和9kW階躍負(fù)載變化下工作波形，說(shuō)明直流供電系統(tǒng)在大負(fù)載變化下可以保持穩(wěn)定的直流輸出。
應(yīng)用案例
用戶使用該平臺(tái)開(kāi)發(fā)的直流供電系統(tǒng)成功安裝在香港某停車(chē)場(chǎng)，為直流照明系統(tǒng)供電。左下圖為停車(chē)場(chǎng)照明系統(tǒng)，為了說(shuō)明節(jié)能效果，同時(shí)裝有直流照明燈和交流照明燈。右下圖是直流照明燈和交流照明燈的能量消耗對(duì)比圖。相比交流照明系統(tǒng)，直流照明系統(tǒng)可以提供穩(wěn)定的供電，同時(shí)效率提高10%以上。
