TME-FLUKE-get-gift-2024-Apr16-Apr30_MEweb

Samsung-Passive-MLCC-2024-Apr7-May7-MEweb

DigiKey-Amphenol-Max-M12-Conn-2024-Apr-MEweb

Arrow-ADI-Increase the Efficiency-18-April-2024

Teljesítménytényező-javítás híd nélküli totemoszlop-kapcsolás használatával

Megjelent: 2022. november 07.

A kiszolgálókban („szerverekben”), a hálózatokban, az 5G távközlésben, az ipari rendszerekben, a villanyjárművekben és számos más területen használt váltakozó áramú tápegységek esetében a nagy teljesítménytényező (PF) és a jó hatásfok kulcsfontosságú követelmény.

A tápegységek tervezői számára azonban komoly feladatot jelent, hogy egyszerre feleljenek meg a teljesítménytényezőre és az elektromágneses összeférhetőségre (EMC) vonatkozó követelményeknek, például az olyan szabványoknak, mint az IEC 61000-3-2, valamint az EnergyStar legújabb, a hatásfokra vonatkozó 80 PLUS Titanium szabványának. Ez utóbbi 10%-os terhelésnél legalább 90%-os, teljes terhelésnél pedig 94%-os hatásfok elérését írja elő. A feszültségnövelő átalakítós teljesítménytényező-javító (PFC) áramkörök nagy teljesítménytényezőt és jó elektromágneses összeférhetőséget tesznek lehetővé, de viszonylag rossz hatásfokú diódahidat tartalmaznak, ami megnehezíti az elvárt hatásfokra vonatkozó szabványok teljesítését.
A diódahíd híd nélküli totemoszlop-kapcsolásos PFC áramkörrel való helyettesítése nagy teljesítménytényező és jó hatásfok egyidejűleg történő elérésére ad módot. Ez azonban bonyolultabbá teszi az áramkört, mert az két szabályozási hurkot tartalmaz: egy lassú, a hálózati frekvencián működő hurkot az egyenirányításhoz és egy nagyfrekvenciás hurkot a feszültségnövelő fokozathoz. Két szabályozási kört a nulláról megtervezni időigényes folyamat, ami késleltetheti a piacra kerülést, és a szükségesnél költségesebb és nagyobb méretű megoldást eredményezhet.
Ezeknek a feladatoknak a megoldására a tervezők használhatnak a fentiek helyett kifejezetten a híd nélküli totemoszlop-kapcsolásos teljesítménytényező-javító eszközökben való használatra optimalizált teljesítménytényező-javító-vezérlő (PFC-vezérlő) integrált áramköröket. Ezek a PFC-vezérlők belső helyesbítésű digitális hurkokat tartalmaznak, ciklusonkénti áramkorlátozásra képesek Hall-érzékelő nélkül, és használhatók úgy szilícium MOSFET-ekkel, mint széles tiltott sávú (WBG), például szilícium-karbid (SiC) vagy gallium-nitrid (GaN) anyagú kapcsolóeszközökkel. Az így kapott teljesítménytényező-javító 90 V és 265 V közötti bemenő váltakozó feszültséggel és akár 99%-os hatásfokkal is képes működni.
Ez a cikk röviden áttekinti azokat az ágazati szabványokat, amelyeknek a váltakozó áramú tápegységeknek meg kell felelniük, összehasonlítja a különböző teljesítménytényező-javító áramkörök teljesítményét, és meghatározza, hogy mikor a legjobb választás a híd nélküli totemoszlop-kapcsolásos teljesítménytényező-javító áramkör. Ezután bemutatja az onsemi cég egy olyan PFC-vezérlő IC-jét, amelyet a híd nélküli totemoszlop-kapcsolásos teljesítménytényező-javítókban való használatra optimalizáltak, valamint a szükséges kiegészítő alkatrészeket és egy fejlesztőkártyát, és ismertet néhány a tervezőknek szóló, a fejlesztési folyamat felgyorsítására irányuló tanácsot.

A jó hatásfok elérése bonyolult lehet

A tápegység jó hatásfokának elérése bonyolultabb, mint amilyennek elsőre tűnik, mivel mind a váltakozó áramú, mind az egyenáramú részegységekkel foglalkozni kell. A hatásfok a legegyszerűbben számítva a bemenőteljesítmény és a kimenőteljesítmény hányadosa. Egy jellegzetes váltakozó áramú tápegység bemenőteljesítménye azonban nem tisztán szinuszos, ami különbséget eredményez a váltakozó áramú hálózatból felvett fázisban lévő és fáziseltéréses teljesítmény között. Ezt a különbséget teljesítménytényező néven ismerik. A váltakozó áramú tápegység tényleges hatásfokának kiszámításához figyelembe kell venni az egyenáramú hatásfokot és a teljesítménytényezőt is. Hogy még komolyabb legyen a kihívás, a hatásfokgörbék nem laposak: a hatásfok és a teljesítménytényező változhat olyan paraméterektől függően, mint a bemenőfeszültség és a kimeneti terhelés.
Ezeket a változókat figyelembe véve a hatásfokra vonatkozó szabványok, mint például az EnergyStar, különböző terhelési szintekre és bemeneti feszültségekre adják meg a hatásfokra, valamint a teljesítménytényezőre vonatkozó követelményeket (1. táblázat).

1. táblázat Az EnergyStar és más hasonló teljesítményszabványok a hatásfok mellett a teljesítménytényezőre vonatkozó követelményeket is támasztanak (Táblázat: onsemi)

A legmagasabb szint, az úgynevezett „80 PLUS Titanium” 115 V bemenő váltakozó feszültségre 90%-os minimális hatásfokot szab meg a névleges terhelés 10%-ánál és 100%-ánál, 94%-os hatásfokot a névleges terhelés 50%-ánál, valamint ≥ 95%-os teljesítménytényezőt a névleges terhelés 20%-ánál. 230 V bemenő váltakozó feszültség esetén még nagyobb hatásfokok vannak előírva. Ezen túlmenően a tápegységeknek meg kell felelniük az IEC 61000-3-2 szabványnak is, amely korlátozza a hálózati felharmonikusokat.
A teljesítménytényező javítására kétféle gyakori megoldást használnak: az egyik a diódás egyenirányításon alapuló feszültségnövelő átalakító, a másik pedig egy bonyolultabb, jobb hatásfokú, aktív egyenirányításon alapuló totemoszlop-kapcsolásos áramkör (1. ábra). A feszültségnövelő átalakítós teljesítménytényező-javító a teljesítménytényezőre és hatásfokra vonatkozó alapkövetelményeket teljesíti ugyan, de az olyan szigorú követelményeket, mint a 80 PLUS Titanium előírásai, nem. Például egy feszültségnövelő átalakítós teljesítménytényező-javító egyenáram-átalakító fokozatában 2%-os, a hálózati egyenirányítóban és a teljesítménytényező-javító fokozatban pedig 1%-os veszteség is előfordulhat (ez kis bemenő hálózati feszültség esetén közel 2%-ra is nőhet). 230 V-os bemenő váltakozó feszültség és 50%-os terhelés esetén a kis bemenő hálózati feszültségű tápegységek ezen közel 4%-os vesztesége miatt nagy kihívást jelent a 80 PLUS Titanium minősítés 96%-os hatásfokot előíró követelményének teljesítése. A legjobb hatásfokot igénylő területeken a teljesítménytényező-javító fokozat veszteségei csökkenthetők a diódás egyenirányítók szinkron egyenirányítással történő helyettesítésével.

1. ábra Két gyakori teljesítménytényező-javító áramkör: egy egyszerű feszültségnövelő átalakítós (balra) és egy totemoszlop-kapcsolásos (jobbra) változat (Kép: onsemi)

A totemoszlop-kapcsolásos teljesítménytényező-javító áramkörben (1. ábra) a Q3 és a Q4 MOSFET jelenti a lassú fokozatot, amely szinkron egyenirányítást végez a hálózati frekvencián, míg a Q1 és a Q2 a gyors fokozatot alkotja, amely az egyenirányított feszültséget magasabb szintre, például 380 V egyenfeszültségre erősíti. Bár kis nyitóirányú ellenállású (RON) Q1 és Q2 MOSFET használatával kialakítható a totemoszlop-kapcsolás, a MOSFET-ek zárása és záróirányú árama miatti nagyfrekvenciás kapcsolási veszteségek rontják a hatásfokot. Ennek eredményeképpen számos totemoszlop-kapcsolásos teljesítménytényező-javító áramkörben a Q1 és Q2 szilícium MOSFET helyett SiC vagy GaN anyagú, nagy teljesítményű kapcsolókat használnak, amelyeknek nincs vagy csak kis mértékű a záróirányú áram miatti veszteségük.

Optimalizált vezérlés

Egy másik fontos szempont a teljesítménytényező-javító áramkör tervezése során a vezérlési mód kiválasztása. A teljesítménytényező-javítók működhetnek folyamatos vezetéses (CCM), nem folyamatos vezetéses (DCM) vagy kritikus vezetéses (CrM) vezérlési módban. Ezek a vezérlési módok a feszültségnövelő tekercs (az 1. ábrán az L1 elem) működési jellemzői alapján különböznek egymástól. A CCM vezérlési mód a legnagyobb mértékben kihasználja a tekercset, és alacsonyan tartja a vezetési és magveszteségeket, de a CCM eszközök keményen (azaz nagyon gyorsan) kapcsolnak, és magasabbak a dinamikai veszteségeik. A DCM vezérlési mód hatékony lehet kis fogyasztású üzemben, de viszonylag magas csúcs- és effektív áramokkal jár, ami a tekercsben nagyobb vezetési és magveszteségeket eredményez.
A CrM vezérlési mód néhány száz wattos teljesítményig jobb hatásfokot képes kínálni. A CrM vezérlési mód használata esetén a hálózati feszültség és a terhelőáram változásait figyeli a rendszer, és a kapcsolási frekvencia úgy van beállítva, hogy az áramkör a CCM és a DCM üzemmód között működjön. CrM vezérlési módban kicsik a bekapcsolási veszteségek, és a csúcsáram az átlagos áramerősség kétszeresére van korlátozva, így a vezetési és magveszteségek észszerű szinten maradnak (2. ábra).

2. ábra A CrM vezérlési módban működő teljesítménytényező-javító áramkörben lévő feszültségnövelő tekercs csúcsárama (Ipk) a bemenő hálózati áramerősség kétszeresére van korlátozva(Kép: onsemi)

A CrM vezérlési mód használata azonban bizonyos kihívásokat is jelent:

Ez egy kemény kapcsolású áramkör, és a feszültségnövelő eszköz nyitóirányú árama okoz némi veszteséget, valamint a kimeneti feszültség túllövését eredményezheti.
Kis terhelés esetén nagyon magas frekvencián működik, ami növeli a kapcsolási veszteségeket, és rontja a hatásfokot.
Négy aktív eszközt kell vezérelni, valamint érzékelni kell, amikor a teljesítménytényező-javító tekercsben nulla az áramerősség, és szabályozni kell a kimenőfeszültséget.

A CrM vezérlési mód megvalósítható áramkörön belüli érzékelőkkel, valamint az összetett vezérlőalgoritmusokat végrehajtó mikrovezérlővel (MCU). A fentiekben említett teljesítménybeli kihívásokat kezelő algoritmusok kódolása kockázatos és időigényes, ami magában hordozza a piacra kerülés késleltetésének veszélyét.

Kódmentes totemoszlop-kapcsolások

Ezen aggályok kezelésére a tervezők használhatják az onsemi NCP1680ABD1R2G vegyes jelű vezérlőegységét, amely kódmentes, CrM vezérlési módú totemoszlop-kapcsolásos teljesítménytényező-javító áramkörök vezérlésére alkalmas. A SOIC-16 tokozású vezérlőegység AEC-Q100 minősítéssel rendelkezik gépjárműipari alkalmazásokhoz, és kis veszteségű, olcsó, ellenállásos áramérzékelést használ, valamint Hall-érzékelő nélküli ciklusonkénti áramkorlátozó védelmet valósít meg (3. ábra). A belső helyesbítésű digitális feszültségszabályozó hurok optimalizálja a teljesítményt a teljes terhelési tartományban, egyszerűbbé téve a teljesítménytényező-javító áramkörök tervezését.

3. ábra Az NCP1680 CrM vezérlőegység olcsó és jó hatásfokú ellenállásos áramérzékelést használ (a ZCD elem a kapcsolási rajz jobb alsó sarkában) (Kép: onsemi)

Nagy sebességű kapuvezérlő

Az NCP1680 vezérlőegység párosítható az onsemi 4 mm × 4 mm méretű, 15 lábú, QFN tokozású, nagy sebességű NCP51820 kapuvezérlőjével. Az eszközt félhidas kapcsolásba kötött GIT (kapun át injektáló) tranzisztorokkal, GaN anyagú HEMT (nagy elektronmozgékonyságú) tranzisztorokkal és növekményes üzemmódú (e-üzemmódú) nagy teljesítményű GaN kapcsolókkal való használatra tervezték (4. ábra).

4. ábra Az NCP1680 vezérlőegység (balra) az NCP51820 nagy sebességű kapuvezérlővel (jobbra) párosítva használható totemoszlop-kapcsolásos teljesítménytényező-javító áramkörökben nagy teljesítményű GaN eszközök vezérlésére (Kép: onsemi)

Az NCP51820AMNTWG például rövid és összehangolt terjedési késleltetéssel, valamint a magasoldali vezérléshez -3,5 V és +650 V közötti (jellegzetes) közös módusú feszültségtartománnyal rendelkezik. A vezérlőfokozatokhoz külön feszültségszabályozók tartoznak, hogy megvédjék a GaN eszközök kapuit a feszültségterheléstől. Az NCP51820 kapuvezérlők független feszültségesés miatti reteszeléssel (UVLO) és hőleállításos védelemmel is el vannak látva.
A piacra kerülés felgyorsítása érdekében a tervezők használhatják az NCP51820GAN1GEVB fejlesztőkártyát (EVB). Ez a fejlesztőkártya segít a tervezőknek felfedezni azt, hogy hogyan lehet az NCP51820 kapuvezérlőkkel jó hatásokkal vezérelni két totemoszlop-kapcsolásba kötött nagy teljesítményű GaN kapcsolót. Az NCP51820GAN1GEVB négyrétegű, 1310 ezredhüvelyk (mil) × 1180 mil (33,27 mm × 30 mm) méretű nyomtatott áramköri (NyÁK) lapot használ. A kártya tartalmazza az NCP51820 GaN-kapuvezérlőt, valamint két félhíd kapcsolásba kötött növekményes üzemmódú, nagy teljesítményű GaN kapcsolót (5. ábra).

5. ábra Az NCP51820GAN1GEVB fejlesztőkártya tartalmaz egy NCP51820 kapuvezérlőt, valamint két-félhídkapcsolásba kötött növekményes üzemmódú GaN kapcsolót (Kép: onsemi)

Tervezési tanácsok

Van ezeknek az IC-knek a használatára vonatkozóan néhány egyszerű tervezési tanács, amelyeket követve a tervezők a legjobb teljesítményt érhetik el. Például annak elkerülésére, hogy zaj csatolódjon a jelbe a jelút valamely részén, és emiatt véletlenül vezérlőjelet adjon ki az NCP51820 kapuvezérlő. Az onsemi azt javasolja, hogy az NCP1680-ból érkező (PWMH és PWML) vezérlőjelek szűrése közvetlenül a kapuvezérlő IC bemeneténél történjen. Egy 1 kΩ-os ellenállás, valamint egy közvetlenül a vezérlőjelet fogadó lábnál elhelyezett 47 pF-os vagy 100 pF-os kondenzátor megfelelő szűrést biztosíthat (6. ábra).

6. ábra Az NCP1680-ból kapott PWMH és PWML vezérlőjel közvetlenül az NCP51820 kapuvezérlő IC bemenetén történő szűrése megakadályozhatja a zajhatásokat, például azt, hogy az NCP51820 véletlenül vezérlőjelet adjon ki. A szűrés itt 1 kΩ-os ellenállások (balra középen) és 47 pF-os kondenzátorok (jobbra középen) segítségével történik (Kép: onsemi)