Warunki i sposób stosowania korekcji współczynnika mocy w bezmostkowej topologii totem pole

Wysoki współczynnik mocy (PF) i wysoka sprawność są kluczowymi wymogami stawianymi zasilaczom prądu zmiennego-stałego wykorzystywanym w serwerach, sieciach, telekomunikacji 5G, systemach przemysłowych, pojazdach elektrycznych i wielu innych zastosowaniach. Jednakże wyzwanie stojące przed projektantami zasilaczy polega na jednoczesnym spełnieniu wymogów dotyczących współczynnika mocy (PF) i kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) norm, jak IEC 61000-3-2, a także najnowszej normy sprawności EnergyStar 80 PLUS Titanium. Ta ostatnia wymaga sprawności minimum 90% przy obciążeniu 10% i sprawności 94% przy pełnym obciążeniu. Konwencjonalna topologia podwyższająca korekcji współczynnika mocy (PFC) zapewnia wysoki współczynnik mocy i dobrą kompatybilność elektromagnetyczną (EMC), jednak zawiera mostek diodowy o stosunkowo niskiej sprawności, co utrudnia spełnienie norm dotyczących sprawności.

Zastąpienie mostka diodowego korekcją współczynnika mocy w bezmostkowej topologii totem pole zapewnia zarówno wysoki współczynnik mocy (PF), jak i wysoką sprawność. Powoduje jednak wzrost złożoności, ponieważ topologia ta zawiera dwie pętle sterowania: pętlę niskiej częstotliwości działającą z częstotliwością linii dla prostownika, a także pętlę wysokiej częstotliwości dla sekcji podwyższającej. Proces projektowania od zera dwóch pętli sterowania jest czasochłonny, co może wydłużyć czas wprowadzania produktu na rynek oraz skutkować droższym i większym rozwiązaniem niż to konieczne.

Aby sprostać tym wyzwaniom, projektanci mogą wykorzystać układy scalone kontrolera korekcji współczynnika mocy (PFC) zoptymalizowane pod kątem użycia w projektach korekcji współczynnika mocy (PFC) w bezmostkowej topologii totem pole. Kontrolery te posiadają pętle cyfrowe z kompensacją wewnętrzną, pozwalają na wdrożenie ograniczania prądu w każdym cyklu bez konieczności użycia czujnika hallotronowego i mogą być używane z krzemowymi tranzystorami MOSFET oraz urządzeniami przełączającymi o szerokiej przerwie energetycznej (WBG), wykonanymi na bazie węgliku krzemu (SiC) lub azotku galu (GaN). Wynikowa korekcja współczynnika mocy (PFC) może działać przy napięciach wejściowych od 90 do 265V~ i sprawnościach dochodzących do 99%.

Artykuł omawia pokrótce normy branżowe, które muszą być spełniane przez zasilacze prądu stałego-zmiennego, porównuje działanie różnych topologii korekcji współczynnika mocy (PFC) oraz uzasadnia, dlaczego najlepszym wyborem jest korekcja współczynnika mocy w bezmostkowej topologii totem pole. Następnie przedstawiono układ scalony kontrolera firmy onsemi zoptymalizowany pod kątem użycia w układach korekcji współczynnika mocy w bezmostkowej topologii totem pole, a także komponenty pomocnicze, płytkę ewaluacyjną oraz sugestie projektowe przyspieszające prace rozwojowe.

Uzyskanie sprawności może być skomplikowane

Zapewnienie sprawności zasilacza jest bardziej skomplikowane, niż mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka, ponieważ dotyczy zarówno komponentów prądu zmiennego, jak i stałego. Najprostszą definicją sprawności jest stosunek mocy wejściowej do mocy wyjściowej. Jednak moc wejściowa typowego zasilacza prądu zmiennego-stałego nie jest czysto sinusoidalna, co skutkuje różnicą pomiędzy mocą w fazie i poza fazą pobieraną z sieci prądu zmiennego. Różnica ta jest określana mianem współczynnika mocy (PF). Dla pełnego opisu sprawności zasilacza prądu zmiennego-stałego należy uwzględnić zarówno sprawność dla prądu stałego, jak i współczynnik mocy. Aby jeszcze bardziej utrudnić sprawy, krzywe sprawności nie są płaskie: sprawność i współczynnik mocy mogą różnić się zależnie od takich parametrów, jak napięcie wejściowe i obciążenie wyjściowe.

W celu uwzględnienia tych zmiennych, oprócz wymogów dotyczących współczynnika mocy (PF), normy sprawności, jak na przykład EnergyStar, definiują sprawność przy różnych poziomach obciążenia i różnych napięciach wejściowych (tabela 1). Dla napięcia wejściowego 115V~ najwyższy poziom o nazwie „80 PLUS Titanium” określa minimalną sprawność 90% zarówno przy 10%, jak i 100% obciążenia znamionowego, 94% przy 50% obciążenia znamionowego, a także współczynnik mocy PF ≥95% przy 20% obciążenia znamionowego. Dla napięcia wejściowego 230V~ wymagane są wyższe sprawności. Dodatkowo zasilacze mają spełniać wymogi normy IEC 61000-3-2, która określa limity harmonicznych w linii zasilającej.

Tabela 1: normy parametrów działania (np. EnergyStar) zawierają wymogi dotyczące zarówno współczynnika mocy (PF), jak i sprawności. (Źródło tabeli: onsemi)

Istnieją dwa najczęściej stosowane podejścia do korekcji współczynnika mocy (PFC): przetwornica podwyższająca bazująca na prostowniku diodowym oraz bardziej skomplikowana topologia totem pole bazująca na prostowniku aktywnym (ilustracja 1). Korekcja współczynnika mocy (PFC) z przetwornicą podwyższającą pozwala spełnić podstawowe wymogi dotyczące współczynnika mocy i sprawności, jednak jest niewystarczająca dla surowych wymagań norm takich jak 80 PLUS Titanium. Przykład: w podwyższającej korekcji współczynnika mocy (PFC) mogą występować straty 2% w stopniu prądu stałego oraz 1% w prostowniku linii i stopniu korekcji współczynnika mocy (PFC) (mogą one wzrastać do niemal 2% podczas pracy przy niskich napięciach linii). Przy niemal 4% stratach dla niskich napięć linii, spełnienie wymogu 96% sprawności przy 230V~ oraz obciążeniu 50% stawianego przez normę 80 PLUS Titanium jest trudne. W zastosowaniach wymagających najwyższych poziomów sprawności, straty w stopniu korekcji współczynnika mocy (PFC) można zmniejszyć zastępując prostowniki diodowe prostownikami synchronicznymi.

Ilustracja 1: dwie popularne topologie korekcji współczynnika mocy (PFC): podstawowa przetwornica podwyższająca (po lewej) oraz totem pole (po prawej). (Źródło ilustracji: onsemi)

W powyższej korekcji współczynnika mocy (PFC) typu totem pole, elementy Q3 i Q4 stanowią odgałęzienie niskiej częstotliwości odpowiedzialne za prostowanie synchroniczne z częstotliwością linii, natomiast elementy Q1 i Q2 tworzą odgałęzienie wysokiej częstotliwości, które podwyższa napięcie na przykład do poziomu 380V=. Pomimo że możliwe jest wdrożenie topologii totem pole z użyciem tranzystorów MOSFET o niskiej rezystancji w stanie włączenia (R_ON) jako elementów Q1 i Q2, straty przełączania przy wysokich częstotliwościach spowodowane regeneracją wsteczną tranzystorów MOSFET obniżają sprawność. Z tego względu w wielu projektach korekcji współczynnika mocy (PFC) typu totem pole krzemowe tranzystory MOSFET Q1 i Q2 są zastępowane przełącznikami mocy wykonanymi z węgliku krzemu (SiC) lub azotku galu (GaN), które charakteryzują się niskimi lub zerowymi stratami regeneracji wstecznej.

Zoptymalizowane sterowanie

Kolejna decyzja podczas projektowania układu korekcji współczynnika mocy (PFC) polega na wyborze techniki sterowania. Układy PFC mogą działać w trybach przewodzenia ciągłego (CCM), nieciągłego (DCM) lub krytycznego (CrM). Tryby te różnią się charakterystyką roboczą podwyższającej cewki indukcyjnej (L1 na ilustracji 1). Tryb przewodzenia ciągłego (CCM) najlepiej wykorzystuje cewkę indukcyjną i zapewnia najniższe straty przewodzenia i straty w rdzeniu, jednakże przełączanie twarde skutkuje wyższymi stratami dynamicznymi. Tryb przewodzenia nieciągłego (DCM) może zapewniać sprawność przy niskiej mocy, jednak gorzej sprawuje się przy stosunkowo wysokich prądach szczytowych i skutecznych (RMS), co skutkuje wyższymi stratami przewodzenia i stratami w rdzeniu cewki indukcyjnej.

Tryb przewodzenia krytycznego (CrM) pozwala uzyskać wyższe sprawności w projektach o mocy do kilkuset watów. W trybie CrM monitorowane są zmiany napięcia linii oraz prądu obciążenia, a częstotliwość przełączania jest regulowana tak, by zapewnić pracę w trybach CCM i DCM. Tryb przewodzenia krytycznego (CrM) charakteryzuje się niskimi stratami włączania i ogranicza prąd szczytowy do dwukrotności prądu średniego, utrzymując straty przewodzenia i straty w rdzeniu na rozsądnym poziomie (ilustracja 2).

Ilustracja 2: prąd szczytowy podwyższającej cewki indukcyjnej (Ipk) w układzie korekcji współczynnika mocy (PFC) działającym w trybie przewodzenia krytycznego (CrM) jest ograniczony do dwukrotności prądu linii wejściowej. (Źródło ilustracji: onsemi)

Użycie trybu CrM wiąże się jednak z pewnymi wyzwaniami:

• Topologia twardego przełączania oraz regeneracja w kierunku przewodzenia urządzenia podwyższającego wprowadza dodatkowe straty i może powodować przeregulowanie napięcia wyjściowego.
• Przy niewielkich obciążeniach mamy do czynienia z bardzo wysokimi częstotliwościami, co zwiększa straty przełączania i obniża sprawność.
• Występują cztery urządzenia aktywne wymagające sterowania, a także potrzeba wykrywania zerowego prądu w cewce indukcyjnej korekcji współczynnika mocy (PFC), a także regulacji napięcia wyjściowego.

Tryb przewodzenia krytycznego (CrM) można wdrożyć przy użyciu czujników w obwodzie oraz mikrokontrolera (MCU) realizujące złożone algorytmy sterowania. Kodowanie algorytmów uwzględniających opisane wcześniej wyzwania związane z działaniem jest ryzykowne i czasochłonne, co może wydłużyć czas wprowadzenia produktu na rynek.

Topologie totem pole bez kodowania

Aby rozwiązać te trudności, projektanci mogą skorzystać z kontrolera sygnałów mieszanych NCP1680ABD1R2G firmy onsemi, który stanowi zintegrowane, nie wymagające kodowania rozwiązanie korekcji współczynnika mocy (PFC) typu totem pole działające w trybie przewodzenia krytycznego (CrM). Kontroler posiada obudowę SOIC-16 i kwalifikację AEC-Q100 do zastosowań w motoryzacji, charakteryzuje się niskimi stratami, niskim kosztem, rezystancyjnym pomiarem prądu i wykorzystuje zabezpieczenie ograniczania prądu w każdym cyklu bez konieczności użycia czujnika hallotronowego (ilustracja 3). Cyfrowa pętla sterowania napięciem z kompensacją wewnętrzną optymalizuje parametry działania w całym zakresie obciążeń i upraszcza konstrukcję układu korekcji współczynnika mocy (PFC).

Ilustracja 3: kontroler CrM NCP1680 wykorzystuje tani i skuteczny rezystancyjny pomiar prądu (ZCD w prawym dolnym rogu schematu). (Źródło ilustracji: onsemi)

Szybki sterownik bramek

Kontroler NCP1680 może współpracować z szybkim sterownikiem bramek NCP51820 firmy onsemi, zamkniętym w 15-wtykowej obudowie QFN o wymiarach 4 x 4mm. Został on zaprojektowany do użycia z tranzystorami GIT (Gate Injection Transistor), tranzystorami GaN o wysokiej ruchliwości elektronów (HEMT) oraz przełącznikami mocy GaN ze wzbogaceniem (e-mode) w topologiach półmostkowych (ilustracja 4).

Ilustracja 4: kontrolery NCP1680 (po lewej) mogą współpracować z szybkimi sterownikami bramek NCP51820 (po prawej) w celu sterowania urządzeniami mocy GaN w korekcji współczynnika mocy (PFC) typu totem pole. (Źródło ilustracji: onsemi)

Przykład: urządzenie NCP51820AMNTWG charakteryzuje się niskimi, dopasowanymi opóźnieniami propagacji, a także zakresem napięć sygnału wspólnego dla sterowania strony wysokiej od -3,5V co +650V (typ.). Stopnie sterownika posiadają oddzielne regulatory napięcia, które zabezpieczają bramki urządzeń GaN przed nadmiernymi napięciami. Sterowniki bramek NCP51820 zawierają niezależną blokadę pracy przy zbyt niskim napięciu (UVLO) oraz zabezpieczenie nadprądowe (OCP) wyjścia i wyłączanie termiczne.

Aby skrócić czas wprowadzania produktu na rynek, projektanci mogą wykorzystać płytkę ewaluacyjną (EVB) NCP51820GAN1GEVB. Wspomniana płytka ewaluacyjna pomaga projektantom zapoznać się z działaniem sterowników NCP51820 do skutecznego sterowania dwoma przełącznikami mocy GaN w konfiguracji totem pole. Urządzenie NCP51820GAN1GEVB zostało zaprojektowane z użyciem czterowarstwowej płytki drukowanej 1310mil x 1180mil. Zawiera sterownik GaN NCP51820 i dwa przełączniki mocy GaN ze wzbogacaniem (e-mode) w konfiguracji półmostkowej (ilustracja 5).

Ilustracja 5: płytka ewaluacyjna NCP51820GAN1GEVB zawiera sterownik NCP51820 i dwa przełączniki mocy GaN ze wzbogacaniem (e-mode) w konfiguracji półmostkowej. (Źródło ilustracji: onsemi)

Zalecenia projektowe

Istnieją pewne proste zalecenia projektowe, których przestrzeganie pozwoli projektantom uzyskać najlepsze działanie omawianych układów scalonych. Na przykład: aby zapobiec sprzęganiu zakłóceń ze ścieżką sygnałową i przypadkowemu wyzwalaniu sterownika bramek NCP51820, firma onsemi zaleca filtrowanie sygnałów sterujących (PWMH i PWML) pochodzących z urządzenia NCP1680 bezpośrednio na wejściu układu scalonego sterownika bramek. Umieszczenie rezystora 1kΩ i kondensatora 47 lub 100pF bezpośrednio na wtyku sterownika pozwala uzyskać wystarczające filtrowanie (ilustracja 6).

Ilustracja 6: filtrowanie sygnałów sterujących PWMH i PWML pochodzących z urządzenia NCP1680 bezpośrednio na wejściu układu scalonego sterownika bramek NCP51820 pozwala wyeliminować skutki zakłóceń, takie jak przypadkowe wyzwalanie urządzenia NCP51820. Filtrowanie uzyskuje się tutaj dzięki użyciu rezystorów 1kΩ (na środku po lewej) i kondensatorów 47pF (na środku po prawej). (Źródło ilustracji: onsemi)

Tryb pomijania/pogotowia urządzenia NCP1680 pozwala uzyskać bardzo dobre parametry działania bez obciążenia i przy niskim obciążeniu, jednak wymaga zewnętrznego wyzwalania poprzez podanie impulsów na wtyk PFCOK lub uziemienie wtyku SKIP i sprzęgnięcie z kontrolerem trybu rezonansowego NCP13992 (ilustracja 7). Wartości komponentów dla obwodu sprzęgającego powinny być zbliżone do umieszczonych na płytce ewaluacyjnej (EVB) NCP1680. Podczas normalnej pracy, stan wtyku PFCMODE kontrolera trybu rezonansowego NCP13992 jest taki sam, jak napięcie polaryzacji VCC kontrolera. Gdy przetwornica przechodzi do trybu pomijania, pojawiają się impulsy do masy. Aby wejść w tryb pomijania, napięcie na wtyku PFCOK musi być niższe od 400mV przez czas dłuższy od 50μs.

Ilustracja 7: przykładowy obwód wyzwalania zewnętrznego wymaganego do uaktywnienia trybu pomijania/pogotowia w urządzeniu NCP1680. (Źródło ilustracji: onsemi)

Podsumowanie

Jednoczesne spełnienie wymogów najnowszych norm EnergyStar (na przykład 80 PLUS Titanium) dotyczących sprawności, kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) i współczynnika mocy z użyciem typowej topologii korekcji współczynnika mocy (PFC) z przetwornicą podwyższającą może być trudne. Zamiast tego projektanci mogą zastosować korekcję współczynnika mocy (PFC) w topologii totem pole. Wykorzystanie kontrolera sygnałów mieszanych NCP1680 wraz z pomocniczymi komponentami firmy onsemi - takimi jak sterownik bramek NCP51820, płytka ewaluacyjna oraz najlepsze praktyki projektowe - pozwala projektantom na szybkie wdrożenie rozwiązania korekcji współczynnika mocy (PFC) typu totem pole działającego w trybie przewodzenia krytycznego (CrM), jednocześnie spełniając wymogi odpowiednich norm.

Rekomendowane artykuły

1. Jak zwiększyć sprawność i niezawodność infrastruktury energetycznej przy jednoczesnym obniżeniu kosztów
2. Użycie tranzystorów MOSFET na podłożu SiC do poprawy sprawności konwersji mocy