基于STDES-30KWVRECT 30 kW Vienna PFC 整流器入门参考设计

介绍

STDES-30KWVRECT 参考设计推出了适用于高功率三相的完整数字电源解决方案基于三电平维也纳拓扑的有源前端 (AFE) 整流器应用。
该平台通过使用 SCTWA90N65G2V-4 和STPSC40H12CWL。
它采用 STM32G474RET3 混合信号高性能微控制器进行全数字控制，提供对 PF、直流电压和软启动程序的完全控制。
STDES-30KWVRECT 实现了低总谐波失真（满负载时 THD 低于 5%）和高功率系数（满负载时高于 0.99），提供高带宽连续导通模式 (CCM)目前的监管。
STDES-30KWVRECT 是一款完全组装的套件，仅用于性能评估，不适用于销售。

特征

• 三相三电平AC-DC电源转换器：
– 额定直流电压：800 VDC
– 额定交流电压：50 Hz 时 400 VAC
– 最大功率：30 kW
– 功率因数：>0.99
– 浪涌电流控制和软启动
– 标称运行时 THD 低于 5%
• 基于SiC MOSFET 和SiC 二极管的功率部分：
– 高频操作 (70 kHz)
– 高效率：>98.5%
– 并联 SiC MOSFET 可实现更高功率和平衡共享电流
– 无源元件重量和尺寸减小
• 基于STM32G474RE微控制器的控制部分：
– 控制和监控接口：SWD–UART、I²C 和 DAC
– 64针数字电源连接器
– LED 状态作为 UI
– 四个集成高性能运算放大器用于附加功能

架构

直流快速充电电源由三相有源前端 (AFE) 整流器组成，可提供稳压来自通用三相交流输入的直流链路，同时需要来自电网的高质量电流。
Vienna 整流器用作三相升压转换器，可将交流电源输入电压升高至 800 VDC输出，同时在所有三相上施加与输入电压同相的正弦输入电流。
每相由一个升压电感、一对整流器（STPSC40H12C SiC 肖特基二极管）和一组串联 MOSFET（每个位置使用两个并联的 SCTWA90N65G2V-4 SiC MOSFET）。
这MOSFET 连接到电容分压器的中心点，从而降低了 SiC 上的电压应力MOSFET。
每相两个SiC肖特基二极管用于在输入交流电压正、反期间升压负交替。
驱动电路是用于 SiC MOSFET 的 STGAP2SICS 电流隔离驱动器 IC。 提供4A驱动电流能力和高达 100 V/ns 的共模瞬态抗扰度 (CMTI)。
Vienna PFC的控制采用STM32G474RE微控制器实现，其中包括PFC、THD、电压调节、输入过流保护 (OCP)、过压保护 (OVP)、软启动和浪涌电流极限函数。
下图显示了三相 Vienna PFC 的电路配置。



规格



功?级

下图所示为三相Vienna PFC整流器的拓扑图及其工作原理。

拓扑输入是一组Y形连接、相交120度的三相交流电压，其具有振幅和频率相等。 每相由一个升压电感、一对整流器（SiC肖特基二极管）和一组串联的 SiC MOSFET。

SiC MOSFET 连接到一个电容分压器，可降低其电压应力。由于各阶段的工作原理相同，上面以 A 相为例。下图所示为维也纳整流器的单相开关原理。

当 iLA>0 且 SA = 1 时，相节点电压被钳位至输出电容器的中点电压。然后，LA 电感器开始存储能量。
当iLA>0且SA=0时，交流电流流入相节点，DA+二极管导通。 然后，相节点被钳位至 VDC+。
类似地，当 iLA<0 且 SA = 1 或 0 时，相节点被钳位到输出的中点电压电容器或 VDC-。
因此，每相可以被视为两个串联的升压转换器，共享相同的电感器和开关（SA）。 DA+和DA-二极管分别工作在输入交流电的正半周和负半周电压。


开机/关机顺序

打开
步骤1. 打开外部辅助电源。 检查控制 LED 和驱动 LED 是否亮起。
步骤 2. 将交流电源电压设置为 20 VAC 50 Hz 并打开。 测量所有传感电路测试点电压。 检查它们是否运行正常。
注意：测试探头应在外部辅助电源和交流电源上电之前放置。 请勿在单板通电时拔下探头，否则可能会导致短路风险并损坏单板。
步骤 3. 关闭交流电源。 按下控制板上的复位按钮即可复位 MCU。复位按钮位置如下图所示。

步骤4、外接风扇上电。
注意：如果没有风扇冷却，演示板可能会因重负载条件下过热而损坏。

步骤 5. 将交流电源电压设置在 350 VAC ~ 450 VAC 和 47 Hz ~ 6 3Hz 之间。 确保输出负载为零。

步骤 6. 打开交流电源。然后，输出电压逐渐升至 800 VDC。

步骤7.根据系统规格，设置交流输入电压和直流输出负载进行测试状况。
警告：板子上电时请勿触摸任何部件

关闭电源

完成测试后，请按照以下步骤操作。

步骤 1. 逐渐移除负载至 0 A。

步骤 2. 关闭交流电源。
警告：确保总线电容器已放电并且电压低于接触组件或金属部件之前先施加 60 V 电压。

步骤 3. 关闭风扇电源和外部电源。

控制策略

该参考设计电源转换器可以表示为二阶动态系统，其中包括电感器和电容器。
该两系统元件理论上的不同动态行为允许考虑两个完全解耦的一阶系统。
因此，需要电流控制和电压控制被考虑。

固件实现

STM32G474RET3 MCU 控制 STDES-30KWVRECT。该固件包基于STM32Cube生态系统。
从STM32CubeMX开始，所有使用的外设和引脚根据基本项目激活和配置。
使用 STM32CubeIDE、IAR 和 Keil 开发支持和测试应用固件环境。
开发完成后，可以通过IDE或STM32CubeProgrammer对MCU进行编程。
要监视和控制应用程序，您可以使用基于 STM32CubeMonitor 的 GUI。

提供广泛的通用和特定固件模块来支持数字电源转换。 下图显示了获得用于电源转换的通用开发流程STDES-30KWVRECT固件开发。

此工作流程从电源转换要求开始。 然后，该信息将在应用程序中重新解释包含与 MCU 外设和 DPC 应用程序配置相关的信息的规范。
在此信息的基础上，提供了正确配置和初始化的 STM32CubeMX 项目。 然后，包含并配置所需的 DPC 模块。
STM32CubeMX 生成开发 IDE 项目。 MCU通过IDE直接烧写或者STM32Cube程序员。 在此操作结束时，通过以下方式测试和调试 DPC 应用程序STM32Cube监视器。
如果符合要求，然后发布数字电源转换器固件，并对 DPC 进行调整。