描述

NS3KW53V5P2L3 参考设计提供了一种数字控制的紧凑型高功率密度解决方案，在 220V AC  输入、53.5V DC 输出、峰值效率高达 97.7%，特别适用于对体积、效率和智能控制要求严苛的工业应用。其核心架构采用基于 SiC 器件的两相交错图腾柱 PFC 前端与基于硅基 MOS 器件的三相交错 LLC DC/DC 隔离后端，并由国民技术高性能N32H474 系列 MCU 实现精确数字控制与保护。

核心优势

本设计通过创新的拓扑和器件选型，实现了卓越的综合性能：

● 超高的转换效率：整机峰值效率≥97.7% ，50%~ 100%负载下PF>0.99。

● 优异的电气性能： 采用CCM两相交错图腾柱PFC降低输入电流纹波和THD (<5.0% @100%负载)；三相交错式半桥LLC实现高效率、低输出纹波和快速动态负载响应。

● 完备的保护功能： 具备过温、输出过流/过压、输入过欠压等保护机制，并通过交错式设计减小输出母线电容需求，提升系统寿命。

● 便捷的开发生态： 基于自研Hunter OS生态，集成上位机可视化工具，实现参数在线配置、波形分析和一站式保护策略管理，显著提升系统智能化和调试效率。

目标应用

本参考设计的高效率、高功率密度和高可靠性特性使其成为以下应用的理想选择：

● AI数据中心电源

● 户外一体化电源

● 电动汽车充电桩

● 通信整流模块

● 工业AC/DC电源

● 电动汽车车载充电机(OBC)

● 工商储能系统功率转换单元

典型应用框图

NS3KW53V5P2L3电源板

1 系统规格与架构

1.1 关键系统规格

表 1-1列出了此设计的主要电气参数

表 1-1  关键系统规格

2 硬件测试

本节详细介绍 NS3KW53V5P2L3  电路板概览、电路板接口、测试设备、测试方法与步骤以及测试结果。

2.1  电路板概览

图 2-1和 图 2-2  分别展示了电路板的正面图和背面图，并在图中标注了主要组件的位置。

图 2-1 正面图

正面图说明：

1.   AC Input Filter

位于右下角，用于抑制来自电网的高频噪声，提升系统的 EMC 性能。

2.    PFC Stage

位于右上角， 此区域可看到 PFC 的电感、电容以及 SiC  驱动电源。

3.    SiC Driver Power

提供 PFC 级中 SiC MOSFET 驱动电路的隔离电源，支持高速、高压驱动。

4.   LLC Stage（中下部分）

• lResonant Tank：包括电感和电容的谐振腔。

• Main Transformer：LLC 的主变压器。

5.   Auxiliary Power

提供控制逻辑、开关管驱动电路、辅助电路等所需的低压电源。

图 2-2 背面图

背面图说明：

1.    PFC Low Frequency Switches  和 PFC High Frequency SiC Switches

位于左上和上中部，构成 PFC 升压电路的低频与高频开关（SiC）部分。

2.   LLC Primary Side Switches

位于右上部，为 LLC 谐振变换器的初级侧开关。

3.   LLC Secondary Side SR Switches

位于右下角，为 LLC 次级侧同步整流开关。

4.   MCU Circuit

位于左中部，是系统的控制核心，执行 PFC 与 LLC 控制策略、状态监测与保护。

5.    Communication Circuit

位于中下部，提供 MCU/DSP 与上位机之间的数据通信接口。

2.2  电路板接口

图 2-3  电路板接口图

注：CAN调试接口可在CAN1和CAN2间任选其一连接上位机

2.3 测试设备

-      隔离交流电源

-     功率计

-     数字示波器

-     高压探头(≥600 V）

-      电流探头

-      电子负载或电阻负载

-     散热风扇（可选）

-     PEAK CAN（用于连接上位机）

2.4 测试方法与步骤

本章主要介绍测试前的上电流程和测试完成后的下电流程。上电和下电可选择带上位机或不带上位机，具体流程有所不同。

2.4.1 上电流程

测试前需执行上电操作，主要包括连接输入输出线缆、以及（若带上位机）进行上位机配置检查。为确保安全，需先进行低压上电以确认系统正常工作，然后再进行高压上电。

2.4.1.1 第一步:  输出连接负载

将电路板上的DC+ 、DC-端口用导线连接到电子负载或电阻负载。

图 2-4 直流输出端口与电子负载连接示意图

2.4.1.2 第二步：连接上位机（不带上位机则跳过此步）

通过USB转CAN接口适配器（PEAK CAN），将上位机连接到电路板的任意一个CAN接口（CAN1或CAN2）。打开上位机调试工具（Debug Tool）并进入连接界面。

图 2-5  上位机连接

2.4.1.3 第三步：输入连接至交流电源

将电路板上的ACL和ACN端口用导线连接到隔离交流电源的火线（L）和零线（N）输出端子上。

图 2-6  交流输入端口连接示意图

2.4.1.4 第四步：低压上电，检查 MCU 是否正常工作

将隔离交流电源输出电压设置为 64V AC, 50 Hz，然后启动电源，如图 2-7所示。可通过上位机（若带上位机）或LED指示灯闪烁确认MCU是否正常工作。如图 2-8所示，若上位机界面中“通信状态”显示为“正常” ，则表明MCU工作正常。

图 2-7  交流电源设置低压

图 2-8 通过上位机通信状态“正常”判断 MCU 正常工作

2.4.1.5 第五步：上位机配置参数检查（不带上位机则跳过此步）

检查各项配置参数，重点需注意红框内数据，其中默认值：“直流输出电压设定”为53.5V ，“直流输出电流设定”为62.5A。

参数正确后，点击“ 电源启停”。

注：电源默认是上电自动启动的，若没有自动启动，才需要点击“电源启停”

注：因为缓启动，PFC 直流母线电压是缓慢上升至420V。因此刚启动时上位机界面中“PFC直流母线电压”小于420V。

图 2-9 上位机配置参数检查

2.4.1.6 第六步：高压上电，检查输出电压是否正常

将隔离交流电源参数调整到实验电压(220V AC, 50HZ)，将电子负载仪负载能力设置“18A”(可根据测试需求自行设置)，然后观察电子负载仪的输出电压值，输出电压为53.5V左右则表明系统工作正常（考虑到线

阻，电子负载上的输出电压值会略低）。

图 2-10  交流输入高压

至此，上电流程已完成。接下来即可在电子负载上设置不同的负载值，以进行转换效率、THD以及功率因素等具体性能指标测试。图 2-11展示了整体测试环境。

图 2-11  测试环境

2.4.2 下电流程

在完成测试之后，按下列步骤下电：

2.4.2.1 逐渐降低负载

逐渐地降低负载至0A，然后关闭电子负载仪

图 2-12 逐渐降低负载

2.4.2.2 上位机关闭电源板（不带上位机则跳过此步）

点击“ 电源启停” ，通过上位机关闭电源板。

2.4.2.3 关闭隔离交流电源

关闭隔离交流电源。

图 2-13  关闭隔离交流电源

2.4.2.4 等待电源板完全下电

等待电源板完全下电。若带上位机，可通过观察“通信状态”显示“错误”，“状态显示”显示“欠压故障”判断电源板完全下电；若不带上位机，可通过观察LED停止闪烁，判断电源板完全下电。

注：一定要等到完全下电，再接触组件或金属部分。

图 2-14  通过上位机判断电源板完全下电

2.4.2.5 关闭风扇，取下各测试设备接线

关闭风扇，取下各测试设备接线

2.5 测试结果

本章展示，整机效率的测试结果，以及不同负载下 PFC 的工作波形。

2.5.1 整机效率

图 2-15 整机效率曲线

2.5.2 PFC 工作波形

本章展示 PFC 工作波形。图 2-16~ 图 2-19分别显示了 25%、50%、75%和 100%负载时的 PFC 工作波形，红色是 Vin 波形，黄色是 Iin 波形。

图 2-16 220VAC ，25%负载时输入电压与电流

图 2-17 220VAC ，50%负载时输入电压与电流

图 2-18 220VAC ，75%负载时输入电压与电流

图 2-19 220VAC ，100%负载时输入电压与电流

2.6 系统架构概述

如图 2-20所示，系统采用模块化两级架构：

1.    前级 PFC：两相交错图腾柱 PFC (CCM 模式)

■输入范围：85V-264VAC-RMS。

■输出：420V DC 母线。

■核心器件：SiC MOSFET (快桥臂)，硅基 MOSFET (工频桥臂)，

2.    后 LLC：三相交错 LLC DC/DC

■输入：420V DC 母线。

■输出：53.5V DC / 56A (3000W)。

■核心器件：硅基 MOSFET (原边 &  副边同步整流)。

数字控制核心为N32H474VEL7-W MCU (ARM Cortex-M4F)  。MCU通过检测电路、保护电路和驱动电路实现两级功率变换的控制与保护。

图 2-20 3kW AC/DC  框图

以上为NS3KW53V5P2L3参考设计的一部分内容，下次我们将为用户介绍《设计与实现》《软件架构》《硬件设计》三部分，以助力使用者更快速上手基于N32H474 MCU的数字电源控制方案。