Hvornår og hvordan man skal bruge brofri totem-pæl effektfaktorkorrektion

Høj effektfaktor (PF) og høj effektivitet er nøglekrav til AC/DC strømforsyninger, der anvendes i servere, netværk, 5G-telekommunikation, industrielle systemer, elektriske køretøjer og en række andre applikationer. Udfordringen for designere af strømforsyninger er imidlertid at opfylde kravene til PF og elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) i standarder som IEC 61000-3-2 samt den seneste 80 PLUS Titanium-effektivitetsstandard fra EnergyStar. Sidstnævnte kræver en effektivitet på mindst 90 % ved 10 % belastning og 94 % ved fuld belastning. En konventionel boost PF-korrektionstopologi (PFC) kan give høj PF og god EMC, men indeholder en relativt ineffektiv diodebro, hvilket gør det vanskeligt at opfylde de forventede effektivitetsstandarder.

Udskiftning af diodebroen med en PFC-topologi med totem-pæl uden broer giver både høj PF og høj effektivitet. Dette medfører imidlertid større kompleksitet, da topologien omfatter to kontrolsløjfer: en langsom sløjfe, der fungerer ved netfrekvensen til ensretning, og en højfrekvenssløjfe til boost-sektionen. Det er en tidskrævende proces at designe to reguleringssløjfer helt fra bunden, hvilket kan forsinke markedsføringen og resultere i en løsning, der er dyrere og større end nødvendigt.

For at imødegå disse udfordringer kan designere i stedet vende sig til PFC-controller-IC'er, der er optimeret til brug i PFC-designs uden broer og totempoler. Disse controllere har internt kompenserede digitale sløjfer, kan implementere cyklus-for-cyklus-strømbegrænsning uden brug af en Hall-effekt-sensor og kan bruges med silicium-MOSFET'er eller WBG-koblingsenheder (wide bandgap) som f.eks. siliciumcarbid (SiC) eller galliumnitrid (GaN). Den resulterende PFC kan fungere med input fra 90 til 265 volt AC og med en effektivitet på op til 99 %.

I denne artikel gennemgår vi kort de industristandarder, som AC/DC-strømforsyninger skal opfylde, sammenlignes ydelsen af forskellige PFC-topologier og identificeres det, hvornår en totem-pæl PFC uden broer er det bedste valg. Derefter præsenteres et controller-IC fra onsemi, der er optimeret til brug i brofri totem-pæl PFC, sammen med støttekomponenter, et evalueringskort og designforslag til at fremskynde udviklingsprocessen.

Effektivitet kan være kompliceret

Strømforsyningens effektivitet er mere kompliceret, end det umiddelbart ser ud til, da den omfatter både veksel- og jævnstrømskomponenter. Simpel effektivitet er forholdet mellem den indgående effekt og den udgående effekt. Indgangseffekten for en typisk AC/DC-strømforsyning er imidlertid ikke rent sinusformet, hvilket resulterer i en forskel mellem den indfasede og udfasede effekt fra vekselstrømsnettet. Denne forskel er anerkendt som PF. For at få en fuldstændig beskrivelse af effektiviteten af en AC/DC-strømforsyning skal både DC-effektiviteten og PF medtages. For at gøre det endnu mere udfordrende er effektivitetskurverne ikke flade: effektivitet og PF kan variere med parametre som f.eks. indgangsspænding og udgangsbelastning.

For at tage højde for disse variabler definerer effektivitetsstandarder som EnergyStar effektivitet ved forskellige belastningsniveauer og forskellige indgangsspændinger sammen med et krav til PF (tabel 1). Det højeste niveau, kaldet "80 PLUS Titanium", angiver en minimumseffektivitet for 115 V AC-indgang på 90 % ved både 10 % og 100 % af den nominelle belastning, 94 % effektivitet ved 50 % af den nominelle belastning samt en PF på ≥95 % ved 20 % af den nominelle belastning. Der kræves højere virkningsgrader ved 230 V vekselstrømsindgang. Desuden forventes strømforsyninger at opfylde IEC 61000-3-2, som sætter grænser for harmoniske strømlinier.

Tabel 1: Præstationsstandarder som EnergyStar omfatter krav til PF såvel som effektivitet. (Kilde til tabellen: onsemi)

Der er to almindelige tilgange til PFC: en boost-konverter baseret på diodeudligning og en mere kompleks, mere effektiv totem-pæl topologi baseret på aktiv ensretning (figur 1). En boost-konverter PFC kan opfylde de grundlæggende PF- og effektivitetskrav, men er ikke tilstrækkelig til strenge krav som 80 PLUS Titanium-kravene. I en boost-PFC kan der f.eks. være tab på 2 % i DC/DC-trinnet og tab på 1 % i linjens ensretning og PFC-trinnet (dette kan stige til næsten 2 % ved lav linjedrift). Med næsten 4 % tab ved lav linje er det en udfordring at opfylde 80 PLUS Titanium-kravet på 96 % effektivitet med en indgang på 230 V AC og 50 % belastning. I anvendelser, der kræver den højeste effektivitet, kan tabene i PFC-trinnet reduceres ved at erstatte diode-rettere med synkron ensretning.

Figur 1: To almindelige PFC-topologier omfatter en grundlæggende boost-konverter (til venstre) og en totem-pæl (til højre). (Billedkilde: onsemi)

I totem-pæl PFC-systemet ovenfor er Q3 og Q4 det langsomme ben, der gennemfører synkron ensretning ved netfrekvensen, mens Q1 og Q2 udgør det hurtige ben, der øger den ensrettede spænding til et højere niveau, f.eks. 380 volt jævnstrøm. Selv om det er muligt at implementere en totempæl ved hjælp af MOSFET'er med lav on-resistance (R_ON) til Q1 og Q2, reducerer højfrekvente switchingtab på grund af MOSFET'ernes omvendte genopretning effektiviteten. Som følge heraf erstattes Q1- og Q2-silicium-MOSFET'erne i mange totem-pæl PFC-konstruktioner med SiC- eller GaN-strømkontakter, som har få eller ingen tab ved omvendt genopretning.

Optimeret kontrol

En anden beslutning ved konstruktionen af en PFC er valget af styringsteknik. PFC'er kan fungere i kontinuerlig ledningstilstand (CCM), diskontinuerlig (DCM) eller kritisk ledningstilstand (CrM). Disse tilstande adskiller sig fra hinanden ved hjælp af driftskarakteristikken for boost-induktoren (L1 i figur 1). CCM udnytter induktoren bedst muligt og holder lednings- og kernetabene lavt, men CCM er svært omstillelig og har højere dynamiske tab. DCM kan være effektiv til lav effektdrift, men lider under relativt høje spids- og effektivstrømme, hvilket resulterer i større lednings- og kernetab i induktoren.

CrM kan give højere effektivitet i konstruktioner på op til et par hundrede watt. Med CrM overvåges ændringer i netspænding og belastningsstrøm, og switch-frekvensen justeres for at operere mellem CCM og DCM. CrM har lave On-tab og begrænser spidsstrømmen til det dobbelte af gennemsnitsstrømmen, hvilket holder lednings- og kernetabene på et rimeligt niveau (figur 2).

Figur 2: CrM PFC boost-induktorens spidsstrøm (Ipk) er begrænset til det dobbelte af indgangslinjestrømmen. (Billedkilde: onsemi)

Der er dog nogle udfordringer forbundet med brugen af CrM:

• Det er en topologi med hård skiftning, og boost-enhedens fremadrettede genopretning tilføjer nogle tab og kan forårsage en overspænding af udgangsspændingen.
• Ved svag belastning kører den ved meget høje frekvenser, hvilket øger switch-tabet og reducerer effektiviteten.
• Der er fire aktive enheder, der skal styres, plus behovet for at registrere nulstrømmen i PFC-induktoren og regulere udgangsspændingen.

CrM kan implementeres ved hjælp af sensorer i kredsløbet sammen med en mikrocontroller (MCU) til at udføre de komplekse styringsalgoritmer. Det er risikabelt og tidskrævende at kode algoritmerne for at tage højde for de ovenfor beskrevne udfordringer med hensyn til ydeevne, hvilket potentielt kan forsinke markedsføringstiden.

Kodningsfri totem-pæle

For at løse disse problemer kan designere henvende sig til NCP1680ABD1R2G mixed-signal-controlleren fra onsemi, som giver en integreret og kodningsfri CrM totem-pæl PFC-løsning. Den SOIC-16 indkapslede controller er AEC-Q100-kvalificeret til bilapplikationer og har lavt tab, lavpris, resistiv strømføling og implementerer cyklus-for-cyklus-strømbegrænsende beskyttelse uden behov for en Hall-effekt-sensor (Figur 3). Den internt kompenserede digitale spændingsreguleringsloop optimerer ydeevnen i hele belastningsområdet og forenkler PFC-designet.

Figur 3: NCP1680 CrM-controlleren anvender billig og effektiv resistiv strømføling (ZCD i det nederste højre hjørne af skemaet). (Billedkilde: onsemi)

High-speed gate driver

NCP1680-controlleren kan parres med onsemi's 4 x 4 millimeter (mm) 15 bens QFN-pakket NCP51820 højhastigheds gate-driver i 15-pin QFN-pakning. Den er designet til brug med GIT-transistorer (Gate Injection Transistor) GaN-transistorer med høj elektronmobilitet (HEMT'er) og e-mode GaN-strømkontakter i halvbro-topologier (figur 4).

Figur 4: NCP1680-controllerne (til venstre) kan parres med NCP51820-højhastigheds-gate-driveren (til højre) til at drive GaN-enheder i en totem-pæl PFC. (Billedkilde: onsemi)

NCP51820AMNTWG har f.eks. korte og tilpassede spredningsforsinkelser samt et common-mode-spændingsområde for høj-side driver på -3,5 volt til +650 volt (typisk). Drivertrinnene har dedikerede spændingsregulatorer for at beskytte GaN-enhedernes gates mod spændingsbelastning. NCP51820 gate-driverne omfatter uafhængig undervoltage lockout (UVLO) og termisk nedlukningsbeskyttelse.

For at fremskynde markedsføringen kan designere bruge NCP51820GAN1GEVB-evalueringskortet (EVB). Denne EVB hjælper designere med at udforske NCP51820-drivernes ydeevne til effektivt at drive to GaN-strømkontakter i en totem-pæl konfiguration. NCP51820GAN1GEVB er konstrueret med et printkort (PC) med fire lag på 1310 tusindedele af en tomme (mil) x 1180 mil. Den omfatter NCP51820 GaN-driveren og to e-mode GaN-strømkontakter i en halvbrokonfiguration (Figur 5).

Figur 5: NCP51820GAN1GEVB EVB indeholder en NCP51820-driver og to E-mode GaN-switche i en halvbrokonfiguration. (Billedkilde: onsemi)

Forslag til design

Der er nogle enkle designforslag, som designere kan følge for at opnå den bedste ydeevne ved brug af disse IC'er. For at forhindre, at støj kobles ind i signalvejen og ved et uheld udløser NCP51820-gate-driveren, anbefaler onsemi f.eks., at styresignalerne (PWMH og PWML) fra NCP1680 filtreres direkte ved indgangen til gate-driveren IC. En modstand på 1 kiloohm (kΩ) og en kondensator på enten 47 eller 100 picofarad (pF) direkte på driverens ben kan give tilstrækkelig filtrering (Figur 6).

Figur 6: Filtrering af PWMH- og PWML-kontrolsignalerne fra NCP1680 lige ved indgangen til NCP51820 gate driver IC'et kan forhindre støjvirkninger, såsom utilsigtet udløsning af NCP51820. Filtreringen udføres her ved hjælp af 1 kΩ-modstande (midten til venstre) og kondensatorer på 47 pF (midten til højre). (Billedkilde: onsemi)

NCP1680's skip/standby-tilstand giver en meget god ydeevne uden belastning og ved let belastning, men den skal udløses eksternt ved at pulsere PFCOK-benet eller jordforbinde SKIP-benet og forbinde den med NCP13992-resonanstilstandsstyringen (Figur 7). Komponentværdierne for grænsefladekredsløbet bør svare til dem, der findes på NCP1680 EVB. Under normal drift er PFCMODE-benet på NCP13992 resonanstilstandsregulator den samme som regulatorens VCC-forspænding. Den pulserer til jord, når konverteren går i overspringstilstand. For at gå i overspringstilstand skal PFCOK-benet være under 400 millivolt (mV) i over 50 mikrosekunder (μs).

Figur 7: Eksempel på det eksterne udløserkredsløb, der er nødvendigt for at aktivere oversprings/standby-tilstand i NCP1680. (Billedkilde: onsemi)

Konklusion

Det kan være en udfordring at opfylde effektivitets-, EMC- og PF-kravene i de nyeste EnergyStar-standarder, såsom 80 PLUS Titanium, ved hjælp af en typisk boost-konverter PFC-topologi. Designere kan i stedet vælge en totem-pæl PFC-topologi. Som det fremgår, giver brugen af NCP1680 mixed signal controller sammen med understøttende komponenter fra onsemi - såsom NCP51820 gate driveren, et evalueringsboard samt nogle af de bedste designmetoder - designere mulighed for hurtigt at implementere en CrM totem-pæl PFC-løsning og samtidig opfylde de krævede standarder.

Anbefalet læsning

1. Hvordan man gør energiinfrastrukturen mere effektiv og pålidelig og samtidig reducerer omkostningerne
2. Brug SiC-baserede MOSFET'er til at forbedre strømkonverteringsvirkningsgraden