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上文我们介绍了NS3KW53V5P2L3数字电源控制参考设计的《系统与架构》、《硬件测试》等基础条件，本主我们主要介绍基于 SiC 的高效 3kW 两相交错图腾柱 PFC+三相交错 LLC 的《设计与实现》、《固件设计》、《硬件设计》等三部分。
本设计采用基于SiC MOSFET的交错图腾柱PFC拓扑，克服了传统拓扑中体二极管反向恢复问题，实现了>99.2%的PFC级效率和极低THD。交错并联的主要优势在于：
●提升功率处理能力。
●优化轻载效率。
●减小EMI滤波器和电感体积。
●降低输出电容RMS电流及体积需求。
如图 3-1所示，PFC 电路包含两对交错高速 SiC 桥臂(Q1-Q2, Q3-Q4)和一对工频 MOSFET 桥臂(Q5-Q6)。控制策略根据输入电压极性切换工作模式：
●正半周： Q2, Q4 主开关； Q1, Q3 同步整流； Q6 常开，Q5 常关。
●负半周： Q1, Q3 主开关； Q2, Q4 同步整流； Q5 常开，Q6 常关。
两相高频桥臂驱动信号移相 180° ,有效降低电流纹波。
图 3-1 PFC 原理图
表 3-1 PFC 电路参数
| 参数 | 测试条件 | 最小值 | 一般值 | 最大值 | 单位 |
| Vin | 交流输入电压 | 176 | 220 | 264 | VAC |
频率 | 工频 | 47 | 50 | 63 | Hz |
| Vout | 输出电压 | 380 | 420 | 450 | VDC |
| 效率 | 99.2% | ||||
| Pout | 输出功率 | 3000 | W | ||
| iTHD | 总谐波失真 | <5%@50% Load |
本设计采用基于硅基MOSFET的三相交错Y-Y型半桥LLC谐振变换器，充分利用了LLC拓扑的优势：
1. 可以在全负载范围内实现原边开关管的零电压开通(Zero Voltage Switching, ZVS)，并且开关管关断时电流较小；
2. 当开关频率高于谐振频率时，可以实现副边整流二极管的零电流关断(Zero Current Switching, ZCS)；
3. 输出端采用电容型滤波，不需要滤波电感，副边整流二极管的电压应力较低，为输出电压；
4. 开关管的 dv/dt 很小，可以改善电磁兼容性能。
针对多相交错的均流挑战，本拓扑通过断开原边半桥接地中线和副边变压器中线，强制三相电流和为零，有效实现均流。
针对副边整流二极管的导通损耗较高问题，采用整流MOS管替换整流二极管，解决二极管导通损耗问题。
图 3-2 Y 对 Y LLC 原理图
定义Lr与Cr 的谐振频率为fr，其表达式为:
定义开关频率为fs ，LLC主要工作在fs < fr模式下，开关周期被划分为6个模态，三相驱动信号互差120°,确保：
l 谐振电流和：
iL r1 + iL r2 + iL r3 = 0
l 副边电流和：
iL s1 + iL s2 + iL s3 = 0
l 励磁电流和：
iLm1 + iLm2 + iLm3 = 0
在fs<fr模式下，副边整流MOS管实现自然ZCS关断，原边开关管利用励磁电流和结电容谐振实现ZVS开通。
表 3-2 LLC 电路参数表
图 3-3 N32H474 系列 MCU 系统资源总览
N32H474系列MCU采用先进的40nm制程，该芯片基于ARM Cortex-M4F内核设计，最高工作主频
240MHz，支持浮点运算和 DSP 指令，提升了数据处理速度和复杂运算能力，其125ps分辨率的SHRTIM和4个独立12bit 4.7MSPS的ADC，可满足多种复杂拓扑结构，灵活配置PWM。
MCU核心特性：
● 高性能，实时控制电源性能
■ 240MHz @ARM-Cortex-M4F 性能达300DMIPS
■ 内置硬件数学函数加速器Cordic，支持整点和浮点运算
■ 内置FMAC,支持FIR和IIR加速
● 高集成度模拟器件，简化硬件设计
■ 4x 12-bit 4.7Msps ADC，最多支持51个通道
■ 8x 12-bit DAC
■ 7x COMP，任意比较器输出可内部连接到任意一个FAULT或EEV输入
● 高精度定时器，为数字电源提供了保障
■ 1x 16-bit SHRTIM ，12x PWM(125ps), 相位可调，10个外部输入事件，可任意I/O映射
■ 3x 16-bit ATIM，每一路ATIM支持6个独立通道，其中4个通道支持4对互补PWM输出
● 丰富且可任意配置的外设接口，支持多节点同步控制
■ 8x U(S)ART，其中3个UART支持任意I/O映射，硬件级485使能驱动
■ 3x CAN-FD ，支持任意I/O映射
NS3KW53V5P2L3具有优秀的性能指标。主要原因在于N32H474系列MCU集成了多项专为高性能数字电源设计的先进特性，这些特性在NS3KW53V5P2L3参考设计中发挥了关键作用，直接转化为显著的系统优势
3.3.2.1 125ps 超高分辨率：实现皮秒级控制精度，显著平滑输出波形
● N32H474特性: 提供业界领先的125ps级PWM分辨率，允许极其精细的频率和相位控制。
● NS3KW53V5P2L3优势: 此超高分辨率显著降低了输出电压纹波峰峰值。在LLC谐振变换器中，精细的频率控制对于精确调节输出电压至关重要，125ps分辨率使得开关频率的微调更加精准，有效平滑输出波形，减小输出电容应力和系统噪声。同时，对于交错PFC和LLC相位的精确移相控制（180°和120°) 也至关重要，确保最佳的均流和纹波抵消效果。
3.3.2.2 充足的 PWM 通道数与 ADC 通道数：实现单芯片控制整个系统
● N32H474特性: 提供多达12通道（或6组互补）的高分辨率PWM输出。提供4个独立、高速（4.7MSPS）的12位ADC ，每个 ADC 多达 16 路外部单端输入通道。且ADC支持差分模式。
● NS3KW53V5P2L3优势: 该资源组合使得仅需一颗N32H474 MCU芯片就能完整控制整个系统，包括两相交错图腾柱PFC（至少需要4路互补PWM驱动高频SiC桥臂）和三相交错LLC（需要6路互补PWM驱动原边半桥）。同时，丰富的ADC通道满足了系统对交流输入电压、PFC母线电压、PFC两相输入电流（差分采样）、LLC三相原边电流、输出电压（差分采样）、输出电流（差分采样）、多个温度点等关键参数的采样需求，无需外扩ADC或复杂的多芯片方案，简化了系统架构，降低了BOM成本和设计复杂度。
3.3.2.3 自动延迟的死区控制：实现逐周期保护与恢复，保障系统连续可靠运行
● N32H474 特性：SHRTIM 支持常规死区生成单元，也可通过自动延迟实现死区控制。自动延迟的死区控制可实现逐周期保护与恢复 。图 3-4 为自动延迟实现死区控制的工作波形示例。
● NS3KW53V5P2L3 优势：逐周期保护实现了功率器件零烧毁风险。逐周期恢复实现了故障后无缝自愈运行。
图 3-4 自动延迟实现死区控制示例
CMP3 定义 CHA1 的占空比。
前沿死区时间：由 CMP1 生成（CHA2 在 TimerA 周期复位，CHA1 在 Timer ACMP1 上置位）。
后沿死区时间：CMP2 自动延迟模式生成后沿死区时间。
没有过流时：CMP3 触发自动延迟模式，以便在 CMP2 定义的死区时间之后置位 CHA2 输出。
有过流时：自动延迟模式由 SHRTIM_EXEV8 输入触发，并在 CMP2 定义的死区时间之后置位 CHA2。为了取消这个置位请求，同时发出一个复位请求，在自动延迟模式下使用 CMP4 寄存器。与置位请求相比，复位请求具有更高的优先级，因此 CHA2 输出保持低电平。
3.3.2.4 32bit 突发模式计数器：支持更长空载空闲时间，降低空载时功耗
● N32H474 特性： 突发模式，可在空载条件下周期性地暂停开关操作。32 位突发计数器，可支持超长的开关暂停时间。图 3-5 为突发模式工作波形。
● NS3KW53V5P2L3优势: 在系统空载状态下，32位突发模式计数器让数字电源有超长的“休息” 时间，显著降低了空载时功耗，提升了整个负载范围内的平均效率，满足严苛的能效标准要求。
图 3-5 突发模式工作波形
系统在非空载时处于突发模式的RUN状态，连续发波；在空载时处于突发模式的IDLE状，暂停发波。突发模式计数器处于[0, SHRTIM_BMCMP]时，处于突发模式IDLE状态，突发模式计数器处于
(SHRTIM_BMCMP, SHRTIM_BMPRD]时，处于突发模式RUN状态。32位突发模式计数器支持超长IDLE时间。
3.3.2.5 外部事件和比较器的快速响应：硬件级高实时性保护筑牢安全防线
● N32H474 特性：
■ 从比较器 COMPx_INP 输入引脚到 SHRTIM_CHxy 输出引脚的传输延迟：22ns。
■ 从外部事件 SHRTIM_EXEVx 数字输入到 SHRTIM_CHxy 输出引脚的传输延迟（30pF 负载）：11ns
● NS3KW53V5P2L3 优势：
结合高速比较器（COMP）和外部事件的低传输延迟，可用于实现极快速的硬件过流保护和过压保
护。当检测到严重的过流或过压故障时（例如LLC原边或PFC开关管电流尖峰），无需等待软件中断处理，硬件能在几十纳秒内直接关断相关PWM输出，有效防止功率器件因过应力而损坏，大幅提升系统鲁棒性。
3.3.2.6 ADC 数字过采样：实现精度跃升，深度优化输出纹波
● N32H474 特性: ADC 支持数字过采样功能。
● NS3KW53V5P2L3 优势：ADC 过采样功能允许在不增加外部滤波电路的情况下，通过数字方式有效提升 ADC 的有效位数(ENOB)。例如， 通过 16 倍过采样，理论上可将 12 位 ADC 的有效分辨率提升约 2位。这在 NS3KW53V5P2L3 中用于对输出电压进行高精度采样。更高的 ADC 分辨率有助于进一步降低输出纹波峰峰值，并提升环路稳定性。
3.3.2.7 关键功能引脚全映射：降低方案迁移成本，提升硬件设计容错性
● N32H474 特性：对关键功能支持全映射：
■ 外部事件可任意 IO 全映射
■ 任意比较器可内部连接到任意一个故障或外部事件
■ 3 个 UART 可任意 IO 全映射
■ 3 个 CAN-FD 可任意 IO 全映射
● NS3KW53V5P2L3 优势：
可保持已有方案 PCB 布局不变，仅通过软件配置引脚功能，缩短迁移周期。同时硬件设计若出现布线错误，可通过软件重路由恢复，避免板级返工。
MCU 固件基于 Hunter OS 平台开发。本章介绍如何基于 Hunter OS 平台开发 NS3KW53V5P2L3 PFC+LLC数字电源。
Hunter OS 是一款专为实时控制设计的高可靠性嵌入式操作系统。
● 它基于非抢占式的时间片轮询机制，依靠硬件中断驱动调度，确保极高的执行稳定性
● 创新性地为数字控制的框架进行了高度抽象，降低了软件设计门槛
● 特别引入图形化调试工具，打破传统 JTAG 调试器操作方式，首次支持对 PID 参数进行全域波形可视化整定，显著提升调试效率设计目标强调“高效交付 + 用户主控权”。
● 鼓励用户深度参与开发，摒弃“交钥匙”式封闭实现
● 可视化工具支持快速参数调试
● 倡导经验沉淀与复用，实现“授人以渔”
Hunter OS 提 供 完 整 的 文 档 集 。 包 括 《 CN_UM_Hunter_OS_User_Mannual 》 、《 CN_UG_Hunter_OS_DebugTool_User_Guide 》 、《 CN_UG_Hunter_OS_Graphic_User_Guide 》 以及《CN_UG_Hunter_OS_Dev_Board_User_Guide》。有关 Hunter OS 详细内容请参考上述文档。
图 4-1 Hunter OS 架构图
Hunter OS 采用四层架构设计，以功能簇为核心单元。系统架构包括：工具链层、应用层、功能簇接口
层、基础软件层（BSW）。其中工具链层、功能簇接口层和基础软件层（BSW）为通用部分，为数字控制类客户提供通用框架。APP层为定制化部分，根据不同数字电源应用而有所不同，但Hunter OS也提供了
APP层的初始框架，客户在APP初始框架中填入定制化内容。
Keil打开工程后，呈现的程序文件结构如图 4-2 所示。
图 4-2 程序文件结构
Hunter OS文档集已对通用框架部分的代码有详细讲解。本文着重针对NS3KW53V5P2L3 PFC+LLC讲解APP部分的代码设计。
APP层代码的主要内容
1. 初始化MCU外设，注册任务函数以及系统参数初始化
此部分代码位于Project_main.c文件的APP_InitTask函数中
2. 各任务函数的实现
此部分代码也位于Project_main.c文件
下面分解介绍外设引脚功能定义和任务函数设计。
表 4-1 MCU 关键外设引脚定义
Hunter OS 的任务运行在定时器的中断服务函数中， 利用定时器的定时功能周期性执行。设计了四个周期性任务：50μs 任务（Task_50us）、1ms 任务（Task_ 1ms）、10ms 任务（Task_ 10ms）、125ms 任务（Task_ 125ms）。硬件故障任务（Hard_Fault）在发生硬件故障时触发。
下面分别介绍各任务的功能。
4.2.2.1 50μs 任务
功能定位：高优先级实时控制与采样
● 任务内容：
o 完成所有关键模拟量（电压、电流等）的 ADC 采样数据处理与滤波。
o 实现 PFC 和 LLC 的电流/电压环闭环控制（PID/PI 算法），并动态调整控制参数（PFC 和 LLC 的PWM 占空比、频率等控制量）。
o 计算输入电压过零点，实现 PFC 同步整流控制。
o 处理高频保护（如过流、过压等）和打嗝模式等紧急控制。
o 采集并上传关键波形数据到上位机 Graphic 工具（如输入电压、目标电流、PWM 占空比、实际电流等）。
● 程序流程：
o ADC 采样与滤波，更新 MachineParameter 结构体。
o PFC/LLC 控制环算法运算，输出控制量。
o 过零检测与同步整流控制。
o PWM 参数实时更新。
o 高速故障检测与处理。
o 波形数据上传至上位机 Graphic 工具。
4.2.2.2 1ms 任务
功能定位: 保护机制与 RMS 计算
● 任务内容：
o 计算输入/输出电压、电流的 RMS 值，更新相关参数。
o 统计有功功率、能量等计量数据。
o 实现各类保护功能（如输入/输出过压、欠压、过流、短路等），并设置相应的故障标志。
o 维护部分状态机变量和延时计数。
● 程序流程
o RMS 与有功功率计算。
o 保护条件判断与故障标志设置。
o 轻微故障状态同步。
4.2.2.3 10ms 任务
功能定位：主状态机与系统流程调度
● 任务内容：
■ 实现电源主状态机（PowerOFF 、Selftest 、PowerInit 、PowerON 、SoftStart 、Running 、SoftOFF、 PowerDown 等）的流程切换。
■ 处理开关机命令、自动开机、故障自动复位、恢复出厂设置、EEPROM 格式化等系统管理功能。
■ 软启动、软关断过程的参数递增/递减，实现平滑启动与关断。
■ 运行时动态调整目标电压、电流、PFC 母线电压等。
■ 维护历史运行时间、累计运行时间等统计量。
■ 处理部分硬件状态与指示灯逻辑。
● 状态机
图 4-3 10ms 任务状态机
4.2.2.4 125ms 任务
功能定位：慢速监控、参数刷新与硬件配置
● 任务内容：
o 定期读取 RTC 时间，维护系统时钟与历史运行时间。
o 刷新系统参数（如电压、电流、温度、功率等）到参数表，供上位机 DebugTool 监控与记录。
o 调试模式下动态调整 PWM 频率、占空比、硬件保护阈值等硬件参数。
o 实现调试模式下的直接硬件控制，便于开发与测试。
o 实现温度监控、过温降额、过温/低温保护等慢速保护机制。
o 刷新故障、警告、提示等状态字，便于系统诊断。
o CAN 总线健康监测与自动重启。
o 处理历史极值记录、故障信息保存与提取、分路下电等辅助功能。
● 程序流程：
o 时间管理与 RTC 同步。
o 系统参数刷新与上传。
o 硬件参数动态调整。
o 调试模式下的硬件直控。
o 温度与降额保护。
o 状态字与故障信息同步。
o CAN 总线与指示灯管理。
4.2.2.5 硬件故障任务
功能定位：故障发生时，触发保护
硬件故障任务注册到比较器中断中，比较器检测硬件故障。故障发生时触发硬件故障任务。
● 任务内容：
o 关机所有开关
o 设置故障标志
o 关闭比较器阈值检测中断
图 5-1 PFC 主功率部分
图 5-2 PFC 开关管部分
图 5-3 PFC 采样与过流保护电路
图 5-4 LLC 主拓扑
图 5-5 LLC 的驱动电路
图 5-6 原边辅助电源
图 5-7 副边辅助电源
● 尽量减少包含高频开关电流的功率路径电路的环路面积和线路长度。
● 尽可能缩短开关节点。短且最佳的线路宽度会减少寄生电感引起的感应振铃。
● 让具有高 dv/dt 电位和高 di/dt 能力的迹线远离敏感信号，并且要有足够的爬电距离和接地屏蔽。
● 保持每个电源级的电源接地和控制接地分开。
● 将 TVS、缓冲器、电容器或二极管等保护装置放置在靠近要保护的设备的位置，并将其连接到电源线上。并用短线布线以减少电感。
● 将驱动器器件尽可能靠近功率器件，以最大限度地减少栅极驱动器输出引脚与功率器件栅极之间的大电流线路长度。
● 将 VDD 与 GND 之间的 VDD 旁路电容器尽可能靠近驱动器，并尽量减少走线长度，以提高噪声滤波效果。
● 尽可能减少接通和关断电流回路路径（驱动器设备、功率 MOSFET 和 VDD 旁路电容），以尽量减少杂散电感。
● 通过从一个电流环路到另一个电流环路的星形点接地，将噪声耦合降至最低。将驱动器 GND 与其他电路节点（如电源开关源或 PWM 控制器接地）单点连接。连接路径必须尽可能短以减少电感，尽可能宽以减少电阻。
以上为基于国民技术N32H474REL7 芯片实现的数字电源控制器方案介绍，如有需要获取更多资讯，可以与天浩旭科技有限公司取得联系可免费获取技术支持与参考设计。
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