magyar elektronika

Hírlevél

Tájékozódjon legfrissebb cikkeinkről, híreinkről!

Valós email cím megadása kötelező

Invalid Input

Invalid Input

DigiKey lidA 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).

 

Tabula A

Tabula B

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.

 

Figure 1

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).

 

Figure 2

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.

 

Figure 3

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).

 

Figure 4

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).

 

Figure 5

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).

 

Figure 6

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)

 


Az NCP1680 impulzuskihagyási/készenléti üzemmódja nagyon jó terheletlen és kis terhelésű teljesítményt tesz lehetővé, de az üzemmódot külsőleg kell bekapcsolni egy impulzust adva a PFCOK lábra vagy földelve a SKIP lábat, és összekapcsolva az eszközt az NCP13992 rezonáns üzemmódú vezérlőegységgel (7. ábra). Az illesztőáramkörök alkatrészértékeinek az NCP1680 fejlesztőkártyán lévő alkatrészek értékeivel azonosaknak kell lenniük. Normál üzemmódban az NCP13992 rezonáns üzemmódú vezérlőegység PFCMODE lába a vezérlőegység VCC előfeszítésével azonos feszültségen van. Amikor az átalakító impulzuskihagyási üzemmódba lép, a földre vezeti az impulzust. Az impulzuskihagyási üzemmódba lépéshez a PFCOK lábnak több mint 50 μs-ig 400 mV feszültségen kell lennie.

 

Figure 7

7. ábra Példa az NCP1680 impulzuskihagyási/készenléti üzemmódjának bekapcsolásához szükséges külső indítóáramkörre (Kép: onsemi)

 

 

Összegzés

A legújabb EnergyStar-szabványok – például a 80 PLUS Titanium – hatásfokra, elektromágneses összeférhetőségre és teljesítménytényezőre vonatkozó követelményeinek egyidejű teljesítése a jellegzetes feszültségnövelő átalakítós teljesítménytényező-javító áramkörök használatával komoly kihívást jelenthet. A tervezők használhatnak ezek helyett totemoszlop-kapcsolásos teljesítménytényező-javító áramköröket. Amint látható, az NCP1680 kevert jelű vezérlőegység, valamint az onsemi kiegészítő alkatrészei – például az NCP51820 kapuvezérlő, egy fejlesztőkártya, valamint néhány bevált gyakorlati tervezési eljárás – segítségével a tervezők gyorsan alkothatnak meg olyan CrM vezérlési módú, totemoszlop-kapcsolásos teljesítménytényező-javító áramköröket, amelyek megfelelnek a szabványok előírásainak.

 

Ajánlott olvasnivaló

How to Make Energy Infrastructure More Efficient and Reliable While Reducing Cost (Az energetikai infrastruktúra hatékonyabbá és megbízhatóbbá tétele a költségek csökkentése mellett)
Use SiC-Based MOSFETs to Improve Power Conversion Efficiency (SiC-alapú MOSFET-ek használata az energiaátalakítás hatékonyságának javítására)

 

Szerző: Rolf Horn – Alkalmazástechnikai mérnök, Digi-Key Electronics

 

Digi-Key Electronics
www.digikey.hu
Angol nyelvű kapcsolat
Arkadiusz Rataj

Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey
Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +48 696 307 330
E-mail: arkadiusz.rataj@digikey.com