英飞凌ICE3PCS01G搭配IGBT高效率2.5KW空调电源方案

这是一个用于测试 2.5 kW 功率因数校正 (PFC) 电路的平台。它旨在评估使用 4 脚封装的优势。
 

例如提高效率和信号质量，并展示了包括 PFC 控制器、MOSFET 驱动器和碳化硅二极管在内的完整 Infineon 解决方案。
 

文件中提供了关于如何使用该评估板、CoolMOS™ C7 MOSFET 的性能表现以及四脚封装的优势的信息，目标读者是经验丰富的电源电子工程师和技术人员。

• 评估板的目的与组成

◦ 此评估板旨在评估TO-247 4针 CoolMOS™ C7 系列 MOSFET的性能。

它是一个完整的 Infineon 解决方案示例，包含PFC控制器、MOSFET驱动器和碳化硅（SiC）二极管。

目的是帮助客户熟悉此评估板，并研究传统3针元件与高性能TO-247 4针CoolMOS™元件在PFC应用中的不同表现。

此评估板适用于实验室使用。
 

• 主要元件

◦CoolMOSTM C7 (IPZ60R040C7)强调其极低的导通和开关损耗，以及在高开关频率下缩小磁性元件和提高功率密度的能力。其 Eoss 降低在轻载时有助于提高效率，低 Qg 值则能实现更快的开关速度和更低的 Eon 与 Eoff，从而在整个负载范围内提高效率。

◦thinQ TM SiC 二极管第五代 (IDH16G65C5)展示了英飞凌在SiC肖特基二极管方面的领先技术，具有改善的热特性和更低的品质因数（Qc*Vf），可在所有负载条件下提高效率，并提供高达100 V/ns的dv/dt强固性，非常适合搭配快速切换的CoolMOSTM C7系列。

◦CCM-PFC 控制器 (ICE3PCS01G)专为 PC、服务器和电信等需要高效率和优异功率因数的电源应用而设计。它具有数字集成的电压回路补偿，可实现更好的动态响应和更低的设计难度。其开关频率可调，并可与外部频率同步。

◦栅极驱动 IC (EiceDRIVERTM Compact IEDI60N12AF)基于核心变压器 (CT) 技术，支持 3pin 和 4pin 封装的 CoolMOSTM9 ...。CT 技术提供高达 1200 V 以上的隔离，并具有高速和优异的共模瞬态抗扰性 (CMTI)，这对于快速电压瞬变下驱动 MOSFET 至关重要3 ...。此驱动器具有 6 A 的输出能力，足以快速切换 19 mΩ 的 CoolMOSTM1。
 

• 4pin 封装的优势

◦TO-247 4pin封装的第四个引脚作为克尔文源极 (Kelvin source)，可以显著降低功率MOSFET源极引脚的寄生电感，从而提高硬切换拓扑的效率。

◦在 CCM PFC 等应用中，与标准 TO-247 3pin 封装相比，切换损耗最多可降低 8%在 1.2 kW 的连续导通模式（CCM）功率因数校正（PFC）中，相当于节省 3.5 W 的功率，或提高0.3%的满载效率。

评估板可以测试 3pin 或 4pin（带源极感测）配置的相同元件13。标准设置为 4pin 配置，可以通过跳线切换至 3pin 配置进行比较。

◦使用4pin封装可以实现更快的切换行为和更干净的栅极波形，并改善系统稳定性。

• 主要功能和操作

◦升压型 PFC 转换器评估板采用升压型 PFC 转换器。

◦CCM 操作控制器 ICE3PCS01G 以连续导通模式 (CCM) 运行，实现接近单位功率因数。

◦双回路控制IC采用级联控制，包括内部电流环路和外部电压环路20。电流环路控制平均输入电流的正弦波形，电压环路数字控制输出电压。

◦软启动在启动期间，当输出电压低于额定值的96%时，IC内部电压回路输出线性增加，从而控制输入电流线性增加，减少元件的电流应力。

◦栅极切换频率可调可通过外部电阻 RFREQ (R31) 设置，范围为 21 kHz 至 250 kHz，默认值为 65 kHz。

◦保护功能包括开路保护 (OLP)、第一过压保护 (OVP1)、峰值电流限制 (PCL)、IC 供电欠压锁定 (UVLO) 和输出电压监控与使能功能 (VBTHL_EN)

• 热管理

评估板针对桥式整流器和功率MOSFET/二极管采用不同的散热管理。桥式整流器使用可调速风扇散热。

◦ 主要散热器同时具备冷却和加热功能，可以将散热器加热到目标温度（默认设定为50°C）进行测试34 ...。也可以选择仅使用内部冷却功能。

• 测试报告

◦ 包括在不同输入电压和负载条件下，使用4针配置的IPZ60R040C7的效率测试结果，显示在高压输入时效率可达98%以上。

◦比较了 3pin 和 4pin 配置的效率曲线证明4针配置可以提高效率

◦ 提供了在不同配置和切换频率下传导EMI测试结果并说明了如何修改EMI滤波器以符合EN55022标准展示了软启动的行为输入电流呈线性增加

• 其他重要注意事项

◦安全警告评估板包含高电压，操作时需由经验丰富的工程师和技术人员进行，并注意高温烫伤风险。操作后，DC-Link 电容可能仍存储高能量，需等待 LED1 熄灭后再触摸。

◦输入限制最大输入电流为 14 A，在低压输入（90 VAC）下需相应降低输出功率以避免超过电流限制。

◦输出功率限制正常输出功率设计为2.5 kW，峰值输出功率可达3000 W，但不建议长时间在此功率下运行以避免元件过热。

◦EMC滤波器板上的EMC滤波器设计用于涵盖广泛应用，但EMC性能高度依赖应用设置和负载条件，可能需要额外调整。

◦启动步骤简述了连接输入、输出和选择性外部电源以启动散热风扇的步骤。

◦输入连接提供两个输入连接器以方便精确的功率测量。

◦源极连接选项详细说明了 MOSFET 栅极驱动器的源极连接方式，可以选择不同的跳线配置来测试 3pin 和 4pin 元件，以及低电感栅极驱动。

总之，这份应用笔记详细介绍了 Infineon 的 2.5 kW PFC 评估板 EVAL_2.5KW_CCM_4PIN，重点在于评估 4pin CoolMOS™ C7 MOSFET 在 PFC 应用中的优势，特别是在效率和信号质量方面。它提供了电路描述、操作原理、保护功能、热管理、测试结果以及安全和使用注意事项，对于希望使用此评估板或了解相关技术的工程师和技术人员来说是非常重要的参考资料。

►场景应用图

►产品实体图

►展示板照片

►方案方块图

►核心技术优势

• 采用 TO-247 4pin CoolMOS™ C7 MOSFET： ◦ 极低的导通和开关损耗：这使得在高开关频率下运行成为可能，有助于缩小磁性元件尺寸并提高功率密度。 ◦ Eoss 降低：在轻载时有助于提高效率。 ◦ 低栅极电荷 (QG)：实现更快的开关，并降低导通损耗 (Eon) 和关断损耗 (Eoff)，从而在整个负载范围内提高效率。 ◦ 易于使用和实施。 ◦ 广泛的产品组合，可满足服务器、PC 电源、电信整流器和太阳能等硬开关应用的特定需求。 ◦ 提供市场上最低的单位封装导通电阻 (RDS(on))。 ◦ TO-247 4pin 封装的优势：第四个接脚作为克尔文源极 (Kelvin source)，可以显著降低功率 MOSFET 源极引脚的寄生电感，从而提高硬开关拓扑的效率。在 CCM PFC 等应用中，与标准 TO-247 3pin 封装相比，开关损耗最多可降低 8%，在 1.2 kW 的 CCM 模式 PFC 中相当于节省 3.5 W 的功率，或提高 0.3% 的满载效率。 • 使用 thinQ!™ SiC 第五代二极管 (IDH16G65C5)： ◦ 代表 Infineon 在 SiC 肖特基二极管方面的领先技术。 ◦ 结合了改进的散热特性和更低的品质因数 (Qc*Vf)，可在所有负载条件下提高效率。 ◦ 提供高达 100 V/ns 的 dv/dt 强固性，非常适合搭配快速开关的 CoolMOS™ C7 系列。 • 采用 CCM-PFC 控制器 (ICE3PCS01G)： ◦ 专为 PC、服务器和电信等需要高效率和优异功率因数的电源应用而设计。 ◦ 具有数字整合的电压回路补偿，可实现更好的动态响应和更低的设计难度。 ◦ 高度整合的设计，最大限度地减少了周边元件数量。 ◦ 栅极开关频率可调，范围从 21 kHz 到 250 kHz，并且能够与 50 kHz 到 150 kHz 的外部开关频率同步。 ◦ 支持连续导通模式 (CCM)，以实现接近单位功率因数。 ◦ 具有平均电流控制。 ◦ 配备多种保护功能，确保系统和设备的安全运行。 • 采用栅极驱动 IC (EiceDRIVER™ Compact IEDI60N12AF)： ◦ 基于 CT (Coreless Transformer) 技术，支持 3pin 和 4pin 封装的 CoolMOS™。 ◦ CT 技术提供超过 1200 V 的隔离，以及高速和非常好的共模瞬态抗扰性 (CMTI)，这对于在快速电压瞬变下驱动 MOSFET 至关重要。 ◦ 6 A 的输出能力足以快速开关 19 mΩ 的 CoolMOS™。 ◦ 即使使用更高导通电阻的元件，强大的驱动能力也有助于减少快速开关时的栅极振荡。 ◦ 具有 dv/dt ≥ 100 V/ns 的 CMTI，这对于快速开关模式下从漏极到栅极信号的高转换噪声反馈是必需的。 ◦ 驱动器的输出具有独立的正负输出，便于调整 MOSFET 的导通和关断行为。 ◦ TO-247 4pin 封装的优势得以展现，实现非常快速的开关行为和干净的栅极波形，并提高系统稳定性。克尔文源极可以完全与电源路径隔离。 总而言之，EVAL_2.5KW_CCM_4PIN 评估板的核心技术优势在于高性能的 CoolMOS™ C7 MOSFET 及其创新的 4pin 封装、先进的 thinQ!™ SiC 二极管、功能强大的 CCM-PFC 控制器以及高速高抗干扰的栅极驱动 IC 的完美结合。这种组合旨在实现更高的效率、更好的信号质量和更高的功率密度，特别是在功率因数校正应用中。

►方案规格

• 输入电压：85 VAC~265 VAC • 输入电流：14 A • 输入频率：47~63 Hz • 输出电压和电流：400 VDC，6.25 A • 输出功率：约2.5 kW（当输入电压为230 VAC时） • 平均效率 : 95%（在115 VAC时） • 开关频率：可能范围为40 kHz~250 kHz； • 板载频率设置为65 kHz； • 可通过R20进行更改 • 功率开关：4针和3针MOSFET