Milloin ja miten sillatonta toteemipaalu-tehokerroinkorjausta käytetään

Korkea tehokerroin (PF) ja korkea hyötysuhde ovat tärkeimpiä vaatimuksia palvelimissa, verkkolaitteissa, 5G-tietoliikenteessä, teollisuusjärjestelmissä ja sähköajoneuvoissa käytettäville AC-DC-virtalähteille. Virtalähteiden suunnittelijoiden haasteena on kuitenkin täyttää samanaikaisesti useiden standardien tehokerroin- ja EMC-vaatimukset, esimerkkeinä IEC 61000-3-2 ja uusin EnergyStar 80 PLUS Titanium -tehokkuusstandardi. Jälkimmäinen standardi vaatii vähintään 90 prosentin hyötysuhteen 10 prosentin kuormituksella ja 94 prosentin hyötysuhteen täyskuormituksella. Perinteinen korotusmuuntimen tehokerroinkorjaustopologia (PFC) voi tarjota korkean tehokertoimen ja hyvän EMC-arvon, mutta se sisältää suhteellisen tehottoman diodisillan, minkä vuoksi odotettujen hyötysuhdestandardien täyttäminen on vaikeaa.

Korvaamalla diodisilta sillattomalla PFC-toteemipaalutopologialla saavutetaan sekä korkea tehokerroin että korkea hyötysuhde. Tämä lisää kuitenkin kompleksisuutta, koska topologiaan kuuluu kaksi ohjaussilmukkaa: verkkotaajuudella toimiva hidas silmukka tasasuuntaukseen ja korkeataajuussilmukka korotusosaa varten. Kahden ohjaussilmukan suunnittelu nollasta on aikaa vievä prosessi, joka voi hidastaa markkinoille tuontia ja johtaa ratkaisuun, joka on kalliimpi ja suurempi kuin olisi tarpeen.

Suunnittelijat voivat sen sijaan ratkaista nämä haasteet käyttämällä PFC-ohjainmikropiirejä, joka on optimoitu käyttöön sillattomissa PFC-toteemipaalurakenteissa. Näissä ohjaimissa on sisäisesti kompensoidut digitaaliset silmukat ja niillä voidaan toteuttaa syklikohtainen virranrajoitus ilman Hall-anturia. Niitä voidaan myös käyttää MOSFET-piitransistorien tai leveän energiaraon (WBG) kytkentälaitteiden, kuten piikarbidin (SiC) tai galliumnitridin (GaN), kanssa. Tuloksena saatava tehokerroinkorjaus voi toimia 90–265 voltin AC-tuloalueella ja jopa 99 prosentin hyötysuhteella.

Tässä artikkelissa tarkastellaan lyhyesti alan standardeja, jotka AC-DC-virtalähteiden on täytettävä, vertaillaan eri PFC-topologioiden suorituskykyä ja selitetään, milloin sillaton toteemipaalu-PFC on paras valinta. Sen jälkeen artikkelissa esitellään onsemin sillattomassa toteemipaalu-tehokerroinkorjauksessa käytettäväksi optimoitu ohjainmikropiiri, sekä tukikomponentit, evaluointikortti ja kehitysprosessia nopeuttavat ehdotukset.

Hyötysuhde voi olla monimutkainen tekijä

Virtalähteiden hyötysuhde on monimutkaisempi tekijä kuin miltä se ensin näyttää, sillä se kattaa sekä AC- että DC-komponentit. Yksinkertainen hyötysuhde on tulotehon ja lähtötehon välinen suhde. Tyypillisen AC-DC-virtalähteen ottama teho ei kuitenkaan ole puhtaasti sinimuotoista, mikä johtaa poikkeamaan verkosta saatavan vaiheen mukaisen tehon ja vaiheesta poikkeavan tehon kesken. Tätä poikkeamaa kutsutaan tehokertoimeksi (PF). AC-DC-virtalähteen hyötysuhteen kattavassa kuvauksessa täytyy ottaa huomioon sekä DC-hyötysuhde että tehokerroin. Haastavuutta lisää vielä se, että hyötysuhdekäyrät eivät ole tasaisia: hyötysuhde ja tehokerroin voivat vaihdella esimerkiksi tulojännitteen ja lähtökuorman kaltaisten parametrien mukaan.

Näiden muuttujien huomioon ottamiseksi EnergyStarin kaltaisissa tehokkuusstandardeissa määritellään hyötysuhde eri kuormitustasoilla ja eri tulojännitteillä, kuten myös vaadittava tehokerroin (taulukko 1). Korkeimmalla tasolla, jota kutsutaan nimellä ”80 PLUS Titanium”, hyötysuhteen on oltava 115 voltin AC-tulolla vähintään 90 %, kun kuorma on 10 % ja 100 % nimelliskuormituksesta, 94 % kuorman ollessa 50 % nimelliskuormituksesta ja ≥ 95 % kuorman ollessa 20 % nimelliskuormituksesta. 230 voltin AC-tulo vaatii korkeampia hyötysuhteita. Lisäksi virtalähteiden odotetaan täyttävän standardin IEC 61000-3-2 vaatimukset, joka määrittelee raja-arvot sähköverkon harmonisille komponenteille.

Taulukko 1: EnergyStarin kaltaiset suorituskykystandardit sisältävät tehokerroin- ja hyötysuhdevaatimuksia. (Taulukon lähde: onsemi)

Tehokerroinkorjaukseen on kaksi yleistä lähestymistapaa: dioditasasuuntaukseen perustuva korotusmuunnin ja aktiiviseen tasasuuntaukseen perustuva kompleksisempi ja tehokkaampi toteemipaalutopologia (kuva 1). Tehokerroinkorjaus korotusmuuntimella voi täyttää tehokerrointa ja hyötysuhdetta koskevat perusvaatimukset, mutta se ei riitä korkeampiin vaatimuksiin, kuten 80 PLUS Titanium. Tehokerroinkorjauksessa korotusmuuntimella häviöt voivat olla 2 % DC-DC-vaiheessa ja 1 % verkon tasasuuntauksessa ja PFC-vaiheessa (tämä voi nousta lähes 2 prosenttiin jännitteen ollessa alhainen). Jos häviöt ovat lähes 4 % jännitteen ollessa alhainen, 80 PLUS Titanium -standardin vaatimusta 96 %:n hyötysuhteesta 230 voltin AC-tulolla ja 50 %:n kuormituksella on vaikea täyttää. Korkeinta hyötysuhdetta vaativissa sovelluksissa PFC-vaiheen häviöitä voidaan vähentää korvaamalla dioditasasuuntaajat synkronisella tasasuuntauksella.

Kuva 1: Kaksi yleistä PFC-topologiaa ovat tavallinen korotusmuunnin (vasemmalla) ja toteemipaalu (oikealla). (Kuvan lähde: onsemi)

Edellä esitetyssä toteemipaalu-tehokerroinkorjauksessa Q3 ja Q4 muodostavat hitaan haaran, joka suorittaa synkronisen tasasuuntauksen verkkotaajuudella. Q1 ja Q2 puolestaan muodostavat nopean haaran, joka korottaa tasasuunnatun jännitteen korkeammalle tasolle, esimerkiksi 380 voltin tasajännitteeseen. Vaikka toteemipaalu onkin mahdollista toteuttaa käyttämällä Q1- ja Q2-komponentteina alhaisen johtamisresistanssin (R_ON) MOSFET-transistoreita, niiden estosuunnan toipumisen aiheuttamat korkeataajuiset kytkentähäviöt pienentävät hyötysuhdetta. Tämän vuoksi MOSFET-piitransistorit Q1 ja Q2 korvataan monissa toteemipaalu-PFC-ratkaisuissa SiC- tai GaN-tehokytkimillä, joiden estosuunnan toipumishäviöt ovat vähäisiä tai niitä ei ole lainkaan.

Optimoitu säätö

Toinen asia, josta pitää päättää tehokerroinkorjausta suunniteltaessa, on säätötekniikan valinta. Tehokerroinkorjaimet voivat toimia jatkuvassa (CCM), epäjatkuvassa (DCM) tai kriittisessä johtavuustilassa (CrM). Nämä tilat eroavat toisistaan korotusinduktorin (L1 kuvassa 1) käyttöominaisuuksien mukaan. CCM-tilassa induktoria hyödynnetään tehokkaimmin ja sen johtavuus- ja ydinhäviöt pysyvät alhaisina, mutta CCM-tilan kytkentätaajuus on korkea ja sen dynaamiset häviöt ovat suuremmat. DCM-tilan hyötysuhde voi olla korkea tehovaatimusten ollessa alhaiset, mutta se kärsii suhteellisen korkeista huippu- ja rms-virroista, mikä johtaa suurempiin johtavuus- ja ydinhäviöihin induktorissa.

CrM-tila voi tarjota korkeamman hyötysuhteen enintään muutaman sadan watin ratkaisuissa. CrM-tila valvoo verkkojännitteen ja kuormitusvirran muutoksia, ja se säätää kytkentätaajuuden toimimaan CCM- ja DCM-tilojen välillä. CrM-tilassa kytkentähäviöt ovat vähäisiä, ja CrM rajoittaa huippuvirran kaksinkertaiseksi keskimääräiseen virtaan nähden, jolloin johtavuus- ja ydinhäviöt pysyvät kohtuullisella tasolla (kuva 2).

Kuva 2: CrM-tilan PFC-korotusinduktorin huippuvirta (Ipk) on rajoitettu kaksinkertaiseen arvoon tulojohdon virtaan nähden. (Kuvan lähde: onsemi)

CrM-tilan käyttöön liittyy kuitenkin joitakin haasteita:

• Kyseessä on kovakytkentätopologia, ja korotuskomponentin myötäsuunnan toipumisaika lisää jonkin verran häviöitä ja voi aiheuttaa lähtöjännitteen ylityksen.
• Kevyillä kuormilla tämä tila toimii erittäin korkeilla taajuuksilla, mikä lisää kytkentähäviöitä ja laskee hyötysuhdetta.
• Kontrolloitavia aktiivisia komponentteja on neljä, minkä lisäksi on tunnistettava PFC-induktorin nollavirta ja säädettävä lähtöjännitettä.

CrM voidaan toteuttaa käyttämällä piirin sisäisiä antureita yhdessä mikrokontrollerin (MCU) kanssa monimutkaisten ohjausalgoritmien suorittamiseksi. Algoritmien koodaus edellä kuvattujen suorituskykyhaasteiden huomioon ottamiseksi on riskialtista ja vie aikaa, mikä voi viivästyttää markkinoille tuontia.

Koodittomat toteemipaalut

Suunnittelijat voivat ratkaista edellä mainitut ongelmat onsemin sekasignaaliohjaimella NCP1680ABD1R2G, joka tarjoaa integroidun ja koodittoman CrM PFC -toteemipaaluratkaisun. Tällä SOIC-16-koteloa käyttävällä ohjaimella on AEC-Q100-hyväksyntä autoteollisuuden sovelluksiin ja sen ominaisuuksiin kuuluu häviötön ja edullinen resistiivinen virranmittaus. Ohjain toteuttaa syklittäisen virranrajoitussuojauksen tarvitsematta Hall-anturia (kuva 3). Sisäisesti kompensoitu digitaalinen jännitteenohjaussilmukka optimoi suorituskyvyn koko kuormitusalueella ja yksinkertaistaa näin PFC-ratkaisua.

Kuva 3: CrM-ohjain NCP1680 käyttää edullista ja tehokasta resistiivistä virtamittausta (ZCD kaaviokuvan oikeassa alakulmassa). (Kuvan lähde: onsemi)

Huippunopea hilaohjain

NCP1680-ohjain voidaan yhdistää onsemin 4 x 4 millimetrin (mm) kokoiseen 15-nastaiseen QFN-koteloa käyttävään huippunopeaan hilaohjaimeen NCP51820. Se on tarkoitettu käytettäväksi GaN HEMT (High Electron Mobility Transistor) -transistorien hilainjektiotransistorin (GIT) ja parannetun tilan (e-mode) GaN-tehokytkimien kanssa puolisiltatopologioissa (kuva 4).

Kuva 4: NCP1680-ohjaimet (vasemmalla) voidaan yhdistää huippunopeaan hilaohjaimeen NCP51820 (oikealla) GaN-tehokomponenttien ohjaamiseksi toteemipaalu-tehokerroinkorjauksessa. (Kuvan lähde: onsemi)

Esimerkiksi NCP51820AMNTWG tarjoaa lyhyet ja sovitetut etenemisviiveet sekä yläpuolen ohjauksen yhteisjännitealueella -3,5 ... +650 V (tyypillinen). Ohjainvaiheilla on omat jänniteregulaattorit, jotka suojaavat GaN-komponenttien hiloja jänniterasitukselta. NCP51820-hilaohjaimien toimintoihin kuuluvat itsenäinen alijännitelukitus (UVLO) ja lämpösammutussuojaus.

Suunnittelijat voivat nopeuttaa markkinoille tuontia käyttämällä evaluointikorttia (EVB) NCP51820GAN1GEVB. Tämä evaluointikortti auttaa suunnittelijoita tutustumaan NCP51820-ohjainten suorituskykyyn kahden GaN-tehokytkimen tehokkaassa ohjaamisessa käytettäessä toteemipaalukonfiguraatiota. NCP51820GAN1GEVB-evaluointikortti on suunniteltu nelikerroksiselle, 1310 tuhannesosatuuman (mil) x 1180 tuhannesosatuuman (mil) kokoiselle piirilevylle (PC). Se sisältää GaN-ohjaimen NCP51820 ja kaksi e-tilan GaN-tehokytkintä puolisiltakonfiguraatiossa (kuva 5).

Kuva 5: Evaluointikortti NCP51820GAN1GEVB sisältää NCP51820-ohjaimen ja kaksi E-tilan GaN-kytkintä puolisiltakonfiguraatiossa. (Kuvan lähde: onsemi)

Ehdotuksia suunnittelua varten

Suunnittelijat voivat saavuttaa näillä mikropiireillä parhaan mahdollisen suorituskyvyn noudattamalla eräitä yksinkertaisia ehdotuksia. Onsemi suosittelee esimerkiksi NCP1680-säätimen ohjaussignaalien (PWMH ja PWML) suodattamista suoraan hilaohjainmikropiirin tulossa, millä voidaan estää esimerkiksi kohinan kytkeytyminen signaalipolkuun ja NCP51820-hilaohjaimen tahaton aktivointi. Suoraan ohjaimen nastaan sijoitettu 1 kilo-ohmin (kΩ) vastus ja joko 47 tai 100 pikofaradin (pF) kondensaattori tarjoavat riittävän suodatuksen (kuva 6).

Kuva 6: Kun NCP1680-ohjaimelta tulevat PWMH- ja PWML-ohjaussignaalit suodatetaan suoraan NCP51820-hilaohjainmikropiirin tulossa, voidaan estää kohinan vaikutus, esimerkkinä NCP51820-hilaohjaimen tahaton aktivointi. Suodatus toteutetaan tässä 1 kΩ:n vastuksilla (keskellä vasemmalla) ja 47 pF:n kondensaattoreilla (keskellä oikealla). (Kuvan lähde: onsemi)

NCP1680-ohjaimen ohitus/valmiustila mahdollistaa erittäin hyvän suorituskyvyn ilman kuormaa ja kevyellä kuormalla, mutta se on käynnistettävä ulkoisesti pulssittamalla PFCOK-nastaa tai maadoittamalla SKIP-nasta ja liittämällä se resonanssitilaohjaimeen NCP13992 (kuva 7). Liitäntäpiirin komponenttiarvojen tulisi vastata NCP1680-evaluiointikortin arvoja. Normaalikäytössä NCP13992-resonanssitilaohjaimen PFCMODE-nasta on sama kuin ohjaimen VCC-biasjännite. Se kytketään pulssimuodossa maahan, kun muunnin siirtyy ohitustilaan. Jotta se siirtyisi ohitustilaan, PFCOK-nastan on oltava alle 400 millivolttia (mV) yli 50 mikrosekunnin (μs) ajan.

Kuva 7: Esimerkki ulkoisesta aktivointipiiristä, joka tarvitaan NCP1680-ohjaimen ohitus/valmiustilan käynnistämiseen. (Kuvan lähde: onsemi)

Yhteenveto

Uusimpien EnergyStar-standardien, kuten 80 PLUS Titanium, hyötysuhde-, EMC- ja tehokerroinvaatimusten samanaikainen täyttäminen voi olla haastavaa tyypillisen korotusmuuntimen PFC-topologian avulla. Suunnittelijat voivat käyttää sen sijaan PFC-toteemipaalutopologiaa. Kuten artikkelissa on näytetty, NCP1680-sekasignaaliohjaimen sekä onsemin lisäkomponenttien – kuten NCP51820-hilaohjaimen, evaluointikortin ja joidenkin parhaiden suunnittelukäytäntöjen – käyttö mahdollistaa CrM PFC -toteemipaaluratkaisun nopean toteuttamisen ja samalla vaadittujen standardien noudattamisen.

Suositeltavaa luettavaa

1. Miten luodaan tehokkaampi ja luotettavampi energiainfrastruktuuri ja samalla lasketaan kustannuksia
2. Käytä SiC-pohjaisia MOSFET-transistoreja tehomuunnoksen hyötysuhteen parantamiseksi