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開發(fā)的10KW五電平直流供電系統(tǒng)的參考設(shè)計平臺。該平臺以單相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%全負載范圍內(nèi)實現(xiàn)超過98%的轉(zhuǎn)換效率，結(jié)合五電平拓撲帶來的超低紋波與諧波特性，非常適合應(yīng)用于對能效、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)多電平拓撲受限于控制復(fù)雜度與成本，難以規(guī)模化商用。本次突破性采用自研UM32G421芯片實現(xiàn)三大創(chuàng)新：
1. 五電平SiC變流拓撲：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% 負載范圍內(nèi)效率大于98%，電流紋波低至4A（滿載46A），iTHD＜5%（50%負載起）。
2. 自適應(yīng)模塊化控制（AMC）：根據(jù)負載情況動態(tài)調(diào)節(jié)工作模塊數(shù)量，確保整機最大效率的同時，輕載效率也獲得大幅提升。
3. 自主可控單芯片集成管理：全國產(chǎn)UM32G421作為主控芯片完成高效ACDC變換及AMC控制算法，同時實現(xiàn)多重保護（輸入過流、過壓、過功率、溫度保護、輸出過流、欠壓保護），BOM成本降低30%。
該平臺的核心優(yōu)勢如下：
·超高效率（>98% @ 10%-100%負載）： 這是最核心的優(yōu)勢。適用于長時間運行、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、儲能系統(tǒng)。
·五電平拓撲： 輸出極低的輸出電壓紋波和THD的高質(zhì)量清潔電能。這對敏感電子設(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)動器母線）。
·寬負載范圍高效率： 適應(yīng)實際應(yīng)用中負載波動大的場景（如數(shù)據(jù)中心服務(wù)器負載變化、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，無需三相電，適合分布式部署。
平臺硬件方案介紹
在平臺的直流供電系統(tǒng)控制模塊中，主要組成部分包括主控MCU UM32G421，開關(guān)管和Gate Driver等。通過獨立MCU控制，實現(xiàn)交流電壓輸入，直流電壓輸出。下圖是該直流供電系統(tǒng)的拓撲結(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，支持浮點運算，支持DSP指令集，性能強大，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、汽車電子、新能源等多個領(lǐng)域的應(yīng)用需求。
平臺軟件方案介紹
對交流網(wǎng)進行電壓、電流采樣，通過“調(diào)頻移相”控制方法實時計算出需要的開關(guān)頻率和移相角度，實現(xiàn)對輸入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 DEMO
下圖是廣芯微直流供電系統(tǒng)平臺 DEMO板，包括主控MCU，SiC開關(guān)管、驅(qū)動器、電容等零部件。
直流供電系統(tǒng)DEMO板
平臺功能參數(shù)及測試波形
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%負載下達到98%以上，峰值效率可達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，說明直流供電系統(tǒng)在不同功率下進行可靠工作。
下圖是直流供電系統(tǒng)在啟動以及步長為1kW負載變化下的波形圖。說明直流供電系統(tǒng)可以在不同的負載情況下，啟動相應(yīng)的功率模塊數(shù)量，確保整機最大效率。
下圖是直流供電系統(tǒng)在0.5kW和6kW以及1kW和9kW階躍負載變化下工作波形，說明直流供電系統(tǒng)在大負載變化下可以保持穩(wěn)定的直流輸出。
應(yīng)用案例
用戶使用該平臺開發(fā)的直流供電系統(tǒng)成功安裝在香港某停車場，為直流照明系統(tǒng)供電。左下圖為停車場照明系統(tǒng)，為了說明節(jié)能效果，同時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，同時效率提高10%以上。
