基於STDES-30KWVRECT 30 kW Vienna PFC 整流器入門參考設計

介紹

STDES-30KWVRECT 參考設計推出了適用於高功率三相的完整數字電源解決方案基於三電平維也納拓撲的有源前端 (AFE) 整流器應用。
該平台通過使用 SCT018W65G3-4AG 和STPSC40H12CWL。
它採用 STM32G474RET3 混合信號高性能微控制器進行全數字控制，提供對 PF、直流電壓和軟啟動程序的完全控制。
STDES-30KWVRECT 實現了低總諧波失真（滿負載時 THD 低於 5%）和高功率係數（滿負載時高於 0.99），提供高帶寬連續導通模式 (CCM)目前的監管。
STDES-30KWVRECT 是一款完全組裝的套件，僅用於性能評估，不適用於銷售。

特徵

• 三相三電平AC-DC電源轉換器：
– 額定直流電壓：800 VDC
– 額定交流電壓：50 Hz 時 400 VAC
– 最大功率：30 kW
– 功率因數：>0.99
– 浪涌電流控制和軟啟動
– 滿載時 THD 低於 3%
• 基於SiC MOSFET 和SiC 二極體的功率部分：
– 高頻操作 (70 kHz)
– 高效率：>98.84%
– 並聯 SiC MOSFET 可實現更高功率和平衡共享電流
– 無源元件重量和尺寸減小
• 基於STM32G474RE微控制器的控制部分：
– 控制和監控接口：SWD–UART、I²C 和 DAC
– 64針數字電源連接器
– LED 狀態作為 UI
– 四個集成高性能運算放大器用於附加功能

架構

直流快速充電電源由三相有源前端 (AFE) 整流器組成，可提供穩壓來自通用三相交流輸入的直流鏈路，同時需要來自電網的高質量電流。
Vienna 整流器用作三相升壓轉換器，可將交流電源輸入電壓升高至 800 VDC輸出，同時在所有三相上施加與輸入電壓同相的正弦輸入電流。
每相由一個升壓電感、一對整流器（STPSC40H12C SiC 肖特基二極體）和一組串聯 MOSFET（每個位置使用兩個並聯的 SCT018W65G3-4AG SiC MOSFET）。
這MOSFET 連接到電容分壓器的中心點，從而降低了 SiC 上的電壓應力MOSFET。
每相兩個SiC肖特基二極體用於在輸入交流電壓正、反期間升壓負交替。
驅動電路是用於 SiC MOSFET 的 STGAP2SICS 電流隔離驅動器 IC。 提供4A驅動電流能力和高達 100 V/ns 的共模瞬態抗擾度 (CMTI)。
Vienna PFC的控制採用STM32G474RE微控制器實現，其中包括PFC、THD、電壓調節、輸入過流保護 (OCP)、過壓保護 (OVP)、軟啟動和浪涌電流極限函數。
下圖顯示了三相 Vienna PFC 的電路配置。



規格



功率級

下圖所示為三相Vienna PFC整流器的拓撲圖及其工作原理。

拓撲輸入是一組Y形連接、相交120度的三相交流電壓，其具有振幅和頻率相等。 每相由一個升壓電感、一對整流器（SiC肖特基二極體）和一組串聯的 SiC MOSFET。

SiC MOSFET 連接到一個電容分壓器，可降低其電壓應力。由於各階段的工作原理相同，上面以 A 相為例。下圖所示為維也納整流器的單相開關原理。

當 iLA>0 且 SA = 1 時，相節點電壓被鉗位至輸出電容器的中點電壓。然後，LA 電感器開始存儲能量。
當iLA>0且SA=0時，交流電流流入相節點，DA+二極體導通。 然後，相節點被鉗位至 VDC+。
類似地，當 iLA<0 且 SA = 1 或 0 時，相節點被鉗位到輸出的中點電壓電容器或 VDC-。
因此，每相可以被視為兩個串聯的升壓轉換器，共享相同的電感器和開關（SA）。 DA+和DA-二極體分別工作在輸入交流電的正半周和負半周電壓。


開機/關機順序

打開
步驟1. 打開外部輔助電源。 檢查控制 LED 和驅動 LED 是否亮起。
步驟 2. 將交流電源電壓設置為 20 VAC 50 Hz 並打開。 測量所有傳感電路測試點電壓。 檢查它們是否運行正常。
注意：測試探頭應在外部輔助電源和交流電源上電之前放置。 請勿在單板通電時拔下探頭，否則可能會導致短路風險並損壞單板。
步驟 3. 關閉交流電源。 按下控制板上的復位按鈕即可復位 MCU。復位按鈕位置如下圖所示。

步驟4、外接風扇上電。
注意：如果沒有風扇冷卻，演示板可能會因重負載條件下過熱而損壞。

步驟 5. 將交流電源電壓設置在 350 VAC ~ 450 VAC 和 47 Hz ~ 6 3Hz 之間。 確保輸出負載為零。

步驟 6. 打開交流電源。然後，輸出電壓逐漸升至 800 VDC。

步驟7.根據系統規格，設置交流輸入電壓和直流輸出負載進行測試狀況。
警告：板子上電時請勿觸摸任何部件

關閉電源

完成測試後，請按照以下步驟操作。

步驟 1. 逐漸移除負載至 0 A。

步驟 2. 關閉交流電源。
警告：確保總線電容器已放電並且電壓低於接觸組件或金屬部件之前先施加 60 V 電壓。

步驟 3. 關閉風扇電源和外部電源。

控制策略

該參考設計電源轉換器可以表示為二階動態系統，其中包括電感器和電容器。
該兩系統元件理論上的不同動態行為允許考慮兩個完全解耦的一階系統。
因此，需要電流控制和電壓控制被考慮。

固件實現

STM32G474RET3 MCU 控制 STDES-30KWVRECT。該固件包基於STM32Cube生態系統。
從STM32CubeMX開始，所有使用的外設和引腳根據基本項目激活和配置。
使用 STM32CubeIDE、IAR 和 Keil 開發支持和測試應用固件環境。
開發完成後，可以通過IDE或STM32CubeProgrammer對MCU進行編程。
要監視和控制應用程序，您可以使用基於 STM32CubeMonitor 的 GUI。

提供廣泛的通用和特定固件模塊來支持數字電源轉換。 下圖顯示了獲得用於電源轉換的通用開發流程STDES-30KWVRECT固件開發。

此工作流程從電源轉換要求開始。 然後，該信息將在應用程序中重新解釋包含與 MCU 外設和 DPC 應用程序配置相關的信息的規範。
在此信息的基礎上，提供了正確配置和初始化的 STM32CubeMX 項目。 然後，包含並配置所需的 DPC 模塊。
STM32CubeMX 生成開發 IDE 項目。 MCU通過IDE直接燒寫或者STM32Cube程序員。 在此操作結束時，通過以下方式測試和調試 DPC 應用程序STM32Cube監視器。
如果符合要求，然後發布數字電源轉換器固件，並對 DPC 進行調整。