Slik bruker du totempæl-effektfaktorkorreksjon uten bro

Høy effektfaktor (PF – power factor) og høy effektivitet er sentrale krav for AC-DC-strømforsyninger som brukes i servere, nettverk, 5G-telekommunikasjon, industrielle systemer, elektriske kjøretøy og en rekke andre konstruksjoner. Utfordringen til konstruktører av strømforsyninger er å samtidig oppfylle kravene til PF og elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) i standarder som IEC 61000-3-2, i tillegg til den nyeste 80 PLUS Titanium-standarden for virkningsgrad fra EnergyStar. Sistnevnte krever minst 90 % virkningsgrad ved 10 % last og 94 % virkningsgrad ved full last. En konvensjonell topologi for PF-korreksjon (PFC) med spenningsøkning kan levere høy PF (effektfaktor) og god elektromagnetisk kompatibilitet (EMC), men inkluderer en relativt ineffektiv diodebro, noe som gjør det vanskelig å oppfylle de forventede standardene til virkningsgrad.

Erstatning av diodebroen med en totempæl-PFC-topologi uten bro leverer både høy PF og høy virkningsgrad. Dette introduserer imidlertid økt kompleksitet siden topologien inkluderer to styringssløyfer: En langsom sløyfe som fungerer på linjefrekvensen for likeretting og en høyfrekvent sløyfe for seksjonen for spenningsøkning. Å konstruere to styringssløyfer fra bunnen av er en tidkrevende prosess som kan forsinke tiden det tar å få det ferdige produktet ut på markedet og resultere i en løsning som er mer kostbar og større enn nødvendig.

For å oppfylle disse utfordringene kan konstruktører i stedet velge å bruke PFC-styrings-IC-er optimalisert for bruk i totempæl-PFC-konstruksjoner uten bro. Disse styringsenhetene har internt kompenserte digitale sløyfer, kan implementere syklus-for-syklus-strømgrense uten å trenge en Hall-effektsensor, og de kan brukes med MOSFET-er i silisium eller WBG-vekslingsenheter, for eksempel silisiumkarbid (SiC) eller galliumnitrid (GaN). Den resulterende PFC-en kan fungere med innganger fra 90 til 265 volt vekselstrøm og med virkningsgrader på opptil 99 %.

Denne artikkelen gjennomgår kort bransjestandardene som AC-DC-strømforsyninger er nødt til å oppfylle, sammenligner ytelsen til ulike PFC-topologier og identifiserer når en totempæl-PFC uten bro er det beste valget. Deretter presenterer den en styrings-IC fra onsemi som er optimalisert for bruk i totempæl-PFC uten bro, sammen med støttekomponenter, et evalueringskort og konstruksjonsforslag for å fremskynde utviklingsprosessen.

Virkningsgrad kan være komplisert

Virkningsgraden til strømforsyningen er mer komplisert enn den først ser ut til, fordi den omfatter både vekselstrøms- og likestrømskomponenter. Enkel virkningsgrad er forholdet mellom inngangsstrømmen og utgangsstrømmen. Inngangsstrømmen for en typisk AC-DC-strømforsyning har imidlertid ikke en ren sinusform, noe som resulterer i en forskjell mellom nettstrømforbruket som er i fase og ute av fase. Denne forskjellen gjenkjennes som PF. For å få en fullstendig beskrivelse av virkningsgraden til en AC-DC-forsyning, må både likestrømsvirkningsgraden (DC-virkningsgrad) og effektfaktoren (PF) inkluderes. For å gjøre ting mer utfordrende, er ikke kurver for virkningsgrad flate: Virkningsgrad og PF kan variere med parametere som inngangsspenning og utgangslast.

For å ta hensyn til disse variablene, definerer virkningsgradsstandarder som EnergyStar virkningsgrad ved ulike lastnivåer og ved ulike inngangsspenninger, i tillegg til et krav til PF (tabell 1). Det høyeste nivået, kalt «80 PLUS Titanium», angir en minimumsvirkningsgrad for 115 volt vekselstrømsinngang (AC) på 90 % ved både 10 % og 100 % av nominell last, 94 % virkningsgrad ved 50 % av nominell last, pluss en PF på ≥95 % ved 20 % av nominell last. Høyere virkningsgrader kreves for 230-volts vekselstrømsinnganger. I tillegg forventes det at strømforsyninger oppfyller IEC 61000-3-2, som setter grenser for strømledningens oversvingninger.

Tabell 1: Ytelsesstandarder som EnergyStar inkluderer krav til PF og virkningsgrad. (Tabellkilde: onsemi)

Det er to vanlige tilnærminger til PFC: En opptransformeringsomformer basert på diodelikeretting, og en mer kompleks, mer effektiv totempæl-topologi basert på aktiv likeretting (figur 1). En opptransformeringsomformer-PFC kan oppfylle grunnleggende krav til PF og virkningsgrad, men er ikke tilstrekkelig for strenge krav som 80 PLUS Titanium. I en opptransformeringsomformer-PFC kan det for eksempel være tap på 2 % i DC-DC-stadiet, og tap på 1 % i linjelikerettings- og PFC-stadiet (dette kan stige til nesten 2 % ved drift på lav linje). Med nesten 4 % tap på lav linje, er det utfordrende å oppfylle 80 PLUS Titanium-kravet på 96 % virkningsgrad med en inngang på 230 volt vekselstrøm og 50 % last. I konstruksjoner som krever de høyeste virkningsgradnivåene, kan tapene i PFC-trinnet reduseres ved å erstatte diodelikeretterne med synkron likeretting.

Figur 1: To vanlige PFC-topologier inkluderer en grunnleggende opptransformeringsomformer (venstre) og en totempæl (høyre). (Bildekilde: onsemi)

I totempæl-PFC-en ovenfor er Q3 og Q4 den langsomme pinnen som implementerer synkron likeretting ved linjefrekvens, mens Q1 og Q2 danner den raske pinnen som øker den likerettede spenningen til et høyere nivå, for eksempel 380 volt DC. Selv om det er mulig å implementere en totempæl ved å bruke MOSFET-er med lav motstand (R_ON) for Q1 og Q2, reduserer de høyfrekvente vekslingstapene, på grunn av sperreforsinkelse, virkningsgraden til MOSFET-ene. Som et resultat, erstattes Q1 og Q2 silisium-MOSFET-er i mange totempæl-konstruksjoner med SiC- eller GaN-effektvekslinger som har små eller ingen sperreforsinkelsestap.

Optimalisert styring

En annen beslutning som må tas når en PFC konstrueres, er valget av styringsteknikk. PFC-er kan fungere i kontinuerlig ledningsmodus (CCM – continuous conduction mode), diskontinuerlig (DCM – discontinuous conduction mode) eller kritisk ledningsmodus (CrM – critical conduction mode). Disse modusene skiller seg fra hverandre ved driftsegenskapene til den spenningsforsterkende (boost) induktoren (L1 i figur 1). CCM utnytter induktoren på best mulig måte og holder konduksjons- og kjernetapene lave, men CCM er hard veksling og har høyere dynamiske tap. DCM kan være effektiv for drift med lav effekt, men lider av relativt høye spiss- og RMS-strømmer, noe som resulterer i høyere konduksjons- og kjernetap i induktoren.

CrM kan gi høyere virkningsgrad i konstruksjoner for opptil noen få hundre watt. Med CrM overvåkes endringer i ledningsspenning og laststrøm, og vekslingsfrekvensen justeres for å fungere mellom CCM og DCM. CrM har lave tap ved påslåing, og den begrenser spissverdien til strømmen til det dobbelte av gjennomsnittsstrømmen, og opprettholder lednings- og kjernetap på et rimelig nivå (figur 2).

Figur 2: CrM PFC spenningsforsterkende induktor-spisstrøm (Ipk – inductor peak current) er begrenset til det dobbelte av inngangsledningsstrømmen. (Bildekilde: onsemi)

Det er imidlertid noen utfordringer tilknyttet bruken av CrM:

• Det er en hard-vekslende topologi, og den foroverrettede gjenopprettingen av den spenningsforsterkende enheten bidrar til noe tap og kan føre til en overskridelse av utgangsspenningen.
• Ved lette laster kjører den på svært høye frekvenser, noe som øker vekslingstap og reduserer virkningsgrad.
• Det er fire aktive enheter å styre, pluss behovet for å detektere nullstrøm i PFC-induktoren og regulere utgangsspenningen.

CrM kan implementeres ved å bruke sensorer som er integrert i kretser sammen med en mikrokontroller (MCU) for å utføre de komplekse styringsalgoritmene. Det er risikabelt og tidkrevende å kode algoritmene til å gjøre greie for ytelsesutfordringene som er skissert ovenfor, og det kan potensielt forsinke tiden det tar å få produktet ut på markedet.

Totempæler uten kode

For å løse disse problemene kan konstruktører bruke NCP1680ABD1R2G-styringen med blandet signal fra onsemi som tilbyr en integrert CrM totempæl-PFC-løsning. Den SOIC-16-innkapslede styringsenheten er AEC-Q100-kvalifisert for bilutrustninger og kommer med resistiv strømføling med lave tap og lave kostnader, og den implementerer syklus-etter-syklus-beskyttelse med strømbegrensning uten å ha behov for noen Hall-effektsensor (figur 3). Den internt kompenserte digitale spenningsreguleringssløyfen optimaliserer ytelsen gjennom hele lastområdet, noe som forenkler PFC-konstruksjonen.

Figur 3: NCP1680 CrM-styringen bruker billig og effektiv resistiv strømføling (ZCD nederst til høyre i skjemaet). (Bildekilde: onsemi)

Gate-driver med høy hastighet

NCP1680-styringen kan kombineres med onsemi sin 15-pinners QFN-innkapslede NCP51820-gatedriver med høy hastighet som måler 4 x 4 millimeter (mm). Den er konstruert for bruk med gate-injeksjonstransistorer (GIT – gate injection transistor), GaN høyelektronmobilitetstransistorer (HEMT – high electron mobility transistor) og GaN-effektvekslere med forsterkningsmodus (e-mode) i halvbrotopologier (figur 4).

Figur 4: NCP1680-styringene (venstre) kan kombineres med høyhastighets-gatedriveren NCP51820 (høyre) for å drive GaN-effektenheter i en totempæl-PFC. (Bildekilde: onsemi)

For eksempel har NCP51820AMNTWG korte og samsvarende fordelingsforsinkelser, samt et fellesmodus-spenningsområde for høysidedriveren på –3,5 volt til +650 volt (typisk). Drivertrinnene har dedikerte spenningsregulatorer for å beskytte portene til GaN-enheter mot spenningsstress. NCP51820-gatedrivere inkluderer uavhengig underspenningssperre (UVLO – undervoltage lockout) og termisk nedstengningsbeskyttelse.

For å fremskynde tiden det tar å få produktet ut på markedet, kan konstruktører bruke NCP51820GAN1GEVB-evalueringskortet (EVB – evaluation board). Dette evalueringskortet gjør det enklere for konstruktører å utforske ytelsen til NCP51820-driverne for å effektivt drive to GaN-effektvekslere i en totempæl-konfigurasjon. NCP51820GAN1GEVB er konstruert ved å bruke et firelags kretskort på 1310 tusendels tommer (mil) x 1180 mil. Den omfatter NCP51820 GaN-driveren og to e-mode GaN-effektvekslere i en halvbrokonfigurasjon (figur 5).

Figur 5: NCP51820GAN1GEVB EVB-en inkluderer en NCP51820-driver og to E−mode GaN-vekslinger i halvbrokonfigurasjon. (Bildekilde: onsemi)

Konstruksjonsforslag

Det er noen enkle konstruksjonsforslag som konstruktører kan følge for å oppnå den beste ytelsen når de bruker disse IC-ene. For å hindre støykopling til signalveien og utløse NCP51820-gatedriveren ved et uhell, anbefaler onsemi for eksempel at styringssignalene (PWMH og PWML) fra NCP1680-en filtreres direkte ved inngangen til gatedriver-IC-en. En motstand på 1 kiloohm (kΩ) og en kondensator på enten 47 eller 100 picofarad (pF) plassert direkte på driverens pinne, kan gi tilstrekkelig filtrering (figur 6).

Figur 6: Filtrering av PWMH- og PWML-styresignalene fra NCP1680 rett ved inngangen til NCP51820-gatedriver-IC-en kan hindre støyvirkninger, for eksempel utilsiktet utløsning av NCP51820. Her oppnås filtreringen ved å bruke motstander på 1 kΩ (midten til venstre) og kondensatorer på 47 pF (midten til høyre). (Bildekilde: onsemi)

Overhopp (skip)/standby-modusen til NCP1680 muliggjør svært god ytelse med null last (no-load) og lett last, men den må utløses eksternt ved å pulsere PFCOK-pinnen eller jorde overhopp(skip)-pinnen og la seg kombinere med NCP13992-styringen i resonansmodus (figur 7). Komponentverdiene for grensesnittkretsene bør samsvare med de som finnes på NCP1680-evalueringskortet. Under normal drift er PFCMODE-pinnen på NCP13992-styringen med resonantmodus den samme som VCC-forspenningen til styringen. Den pulserer til jord når omformeren går inn i overhopp-modus (skip-modus). For å gå inn i overhopp-modus, må PFCOK-pinnen være under 400 millivolt (mV) i over 50 mikrosekunder (μs).

Figur 7: Eksempel på den eksterne utløserkretsen som trengs for å påkalle overhopp/standby-modus i NCP1680. (Bildekilde: onsemi)

Konklusjon

Samtidig kan det være utfordrende å oppfylle kravene til virkningsgrad, EMC og PF i de nyeste EnergyStar-standardene, for eksempel 80 Plus Titanium, ved å bruke en typisk opptransformeringsomformer-PFC-topologi. Konstruktører kan i stedet velge å bruke en totempæl-PFC-topologi. Som vist gjør bruken av NCP1680-styringen med blandet signal, kombinert med støttekomponenter fra onsemi – for eksempel NCP51820-gatedriveren, et evalueringskort, samt eksempler på beste praksis for konstruktører – det mulig for konstruktører å raskt implementere en CrM totempæl-PFC-løsning samtidig som de oppfyller nødvendige standarder.

Anbefalt lesing

1. Slik gjør du energiinfrastrukturen mer effektiv og pålitelig, samtidig som kostnadene reduseres
2. Bruk SiC-baserte MOSFET-er til å forbedre virkningsgraden til strømomformingen