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的高性能多功能微處理器芯片UM32G421開發的10KW五電平直流供電系統的參考設計平臺。該平臺以單相220V交流電為輸入，輸出360V-400V可調直流電壓，采取自然散熱方式，在10%-100%全負載范圍內實現超過98%的轉換效率，結合五電平拓撲帶來的超低紋波與諧波特性，非常適合應用于對能效、功率密度、輸出電壓質量(低紋波/低諧波)和可靠性要求較高的領域，為工業4.0、綠色數據中心及新能源領域提供高性能、高效能供電解決方案。

傳統多電平拓撲受限于控制復雜度與成本，難以規模化商用。本次突破性采用自研UM32G421芯片實現三大創新：

1. 五電平SiC變流拓撲：采用碳化硅五電平AC/DC 變流器，減少功率轉換器的損耗，10 – 100% 負載范圍內效率大于98%，電流紋波低至4A(滿載46A)，iTHD<5%(50%負載起)。

2. 自適應模塊化控制(AMC)：根據負載情況動態調節工作模塊數量，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UM32G421作為主控芯片完成高效ACDC變換及AMC控制算法，同時實現多重保護(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%。

該平臺的核心優勢如下：

·超高效率(>98% @ 10%-100%負載)： 這是最核心的優勢。適用于長時間運行、能耗成本敏感的應用，如數據中心、通信基站、照明系統、工業生產線、充電樁、儲能系統。

·五電平拓撲： 輸出極低的輸出電壓紋波和THD的高質量清潔電能。這對敏感電子設備和需要高精度控制的設備至關重要。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)： 適配多種需要高壓直流母線的應用標準(如HVDC 380V, 工業驅動器母線)。

·寬負載范圍高效率： 適應實際應用中負載波動大的場景(如數據中心服務器負載變化、工業設備啟停)。

·單相220V AC輸入： 部署靈活方便，適用于普通市電環境，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控制模塊中，主要組成部分包括主控MCU UM32G421，開關管和Gate Driver等。通過獨立MCU控制，實現交流電壓輸入，直流電壓輸出。下圖是該直流供電系統的拓撲結構圖。

直流供電系統硬件方案示意圖

主控芯片是廣芯微UM32G421采用ARM Cortex-M4F內核，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、硬件坐標旋轉運算協處理器、豐富的外設接口等多種資源，可在-40~125℃穩定工作，能夠滿足工業控制、汽車電子、新能源等多個領域的應用需求。

平臺軟件方案介紹

對交流網進行電壓、電流采樣，通過“調頻移相”控制方法實時計算出需要的開關頻率和移相角度，實現對輸入220V/50Hz電網的交流電壓、電流的精確控制，以獲得高質量的直流輸出電流。

直流供電系統軟件方案示意圖

直流供電系統平臺 DEMO

下圖是廣芯微直流供電系統平臺 DEMO板，包括主控MCU，SiC開關管、驅動器、電容等零部件。

直流供電系統DEMO板

平臺功能參數及測試波形

下圖是直流供電系統的效率、功率因數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在0.5kW和10kW輸出功率下的波形，說明直流供電系統在不同功率下進行可靠工作。

下圖是直流供電系統在啟動以及步長為1kW負載變化下的波形圖。說明直流供電系統可以在不同的負載情況下，啟動相應的功率模塊數量，確保整機最大效率。

下圖是直流供電系統在0.5kW和6kW以及1kW和9kW階躍負載變化下工作波形，說明直流供電系統在大負載變化下可以保持穩定的直流輸出。

應用案例

用戶使用該平臺開發的直流供電系統成功安裝在香港某停車場，為直流照明系統供電。左下圖為停車場照明系統，為了說明節能效果，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，直流照明系統可以提供穩定的供電，同時效率提高10%以上。

關于廣芯微

廣芯微電子(廣州)股份有限公司聚焦光伏新能源、工業控制和汽車電子產業，為客戶提供差異化的微處理器芯片、快充與數字電源SOC和性能卓越的無線射頻芯片，并圍繞這些芯片打造特色的電機控制方案平臺、數字電源方案平臺和低功耗無線射頻方案平臺。