När och hur man använder brygglös effektfaktorkorrigering med totempåle

Hög effektivitet och hög effektfaktor är viktigt i AC-DC-nätaggregat som används i servrar, nätverksutrustning, 5G-telekommunikation, industrisystem, elektriska fordon och en mängd andra tillämpningar. Utmaningen för konstruktörer av nätaggregat är dock att både uppfylla kraven för effektfaktor och elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) i standarder som IEC 61000-3-2, samt den senaste effektivitetsstandarden 80 PLUS Titanium från EnergyStar. Den senare kräver en verkningsgrad på minst 90 % vid 10 % belastning och 94 % vid full belastning. En konventionell topologi med boost-effektfaktorkorrigering kan ge hög effektfaktor och god EMC, men innehåller en relativt ineffektiv diodbrygga, vilket gör det svårt att uppfylla de förväntade effektivitetsstandarderna.

Genom att ersätta diodbryggan med en topologi för effektfaktorkorrigering med en brygglös totempåle får man både hög effektfaktor och hög verkningsgrad. Detta medför dock högre komplexitet eftersom topologin innehåller två styrslingor: en långsam slinga som arbetar vid nätfrekvensen för likriktning och en högfrekvent slinga för boost-delen. Att konstruera två styrslingor från grunden är en tidskrävande process som kan fördröja marknadsintroduktionen och resultera i en lösning som är dyrare och större än nödvändigt.

För att hantera dessa utmaningar kan konstruktörer istället använda sig av styrkretsar för effektfaktorkorrigering som är optimerade för användning i konstruktioner för effekfaktorkorrigering utan bryggor och totempåle. Styrenheterna har internt kompenserade digitala slingor, kan implementera strömbegränsning cykel för cykel utan att behöva en Hall-effektsensor och kan användas med MOSFET:ar av kisel eller WBG-switchar (brett bandgap), som t.ex. kiselkarbid (SiC) eller galliumnitrid (GaN). Den resulterande effektfaktorkorrigeringen kan arbeta med inspänningar från 90 till 265 V AC och med en verkningsgrad på upp till 99 %.

Artikeln går kortfattat igenom de branschstandarder som AC-DC-nätaggregat måste uppfylla, jämför prestandan hos olika topologier för effektfaktorkorrigering, och identifierar när en brygglös effektfaktorkorrigering med totempåle är det bästa valet. Därefter presenteras en styrkrets från onsemi som är optimerad för användning i brygglös effektfaktorkorrigering med totempåle, tillsammans med kringkomponenter, ett utvärderingskort och konstruktionsförslag för att påskynda utvecklingsprocessen.

Effektivitet kan vara komplicerat

Effektiviteten i nätaggregat är mer komplicerat än vad den först verkar eftersom den omfattar både AC- och DC-komponenter. Effektivitet är i sin enklaste form förhållandet mellan in- och utspänning. Men, inspänningen för ett typiskt AC-DC-nätaggregat är dock inte helt sinusformad, vilket resulterar i en skillnad mellan den effekt som är i fas med eller utanför fasen från växelströmsnätet. Denna skillnad kallas effektfaktor. För att få en fullständig beskrivning av effektiviteten hos ett AC-DC-nätaggregat måste både DC-effektiviteten och effektfaktor inkluderas. För att göra det ännu svårare är effektivitetskurvorna inte platta: effektivitet och effektfaktor kan variera med parametrar som ingångsspänning och utgångens belastning.

För att ta hänsyn till dessa variabler definierar standarder som EnergyStar effektivitet vid olika belastningsnivåer och vid olika ingångsspänningar, tillsammans med ett krav på effektfaktor (tabell 1). Den högsta nivån, kallad "80 PLUS Titanium", anger en lägsta effektivitet för 115 V AC på 90 % vid både 10 % och 100 % av den nominella belastningen, 94 % effektivitet vid 50 % av den nominella belastningen samt en effektfaktor på ≥95 % vid 20 % av den nominella belastningen. Högre verkningsgrader krävs för 230 V AC-inspänning. Dessutom förväntas nätaggregaten även uppfylla kraven i IEC 61000-3-2, som sätter gränser för harmoniska övertoner i kraftledningsnätet.

Tabell 1: Prestandastandarder som t.ex. EnergyStar innehåller krav för effektfaktor och och effektivitet. (Bildkälla: onsemi)

Det finns två vanliga tillvägagångssätt för PFC: en boostomvandlare som bygger på diodlikriktning och en mer komplicerad och effektiv topologi med totempålar som bygger på en aktiv likriktning (figur 1). En effektfaktorkorrigering med boost-omvandlare kan uppfylla grundläggande krav på effektfaktor och effektivitet, men är inte lämplig för stränga krav som 80 PLUS Titanium. I en boost-effektfaktorkorrigering kan förlusterna exempelvis bli 2 % i DC-DC-steget och 1 % i linjens likriktning och steget för effektfaktorkorrigering (detta kan stiga till nästan 2 % vid drift med lågspänningsledningar). Med nästan 4 % förluster vid låg linjespänning är det en utmaning att uppfylla kravet i 80 PLUS Titanium på 96 % effektivitet med en inspänning på 230 V AC och 50 % belastning. I tillämpningar som kräver högsta effektivitet kan förlusterna i steget för effektfaktorkorrigering minskas genom att ersätta diodlikriktaren med synkron likriktning.

Figur 1: Två vanliga topologier för effektfaktorkorrigering är en enkel boostomvandlare (till vänster) och en totempåle (till höger). (Bildkälla: onsemi)

I principen för effektfaktorkorrigering ovan utgör Q3 och Q4 det långsamma benet som genomför synkron likriktning vid nätfrekvensen, medan Q1 och Q2 utgör det snabba benet som ökar den likriktade spänningen till en högre nivå, t.ex. 380 V DC. Även om det är möjligt att implementera en totempåle med hjälp av MOSFET:ar med låg resistans(R_ON) för Q1 och Q2, minskar de högfrekventa switchningsförlusterna på grund av MOSFET:arnas förluster på grund av omvänd återställningsström. Detta medför att kisel-MOSFET:arna Q1 och Q2 i många konstruktioner ersätts av effektswitchar av SiC eller GaN som har små eller inga förluster vid omvänd återställning.

Optimerad styrning

Ett annat beslut vid konstruktionen av en effektfaktorkorrigering är valet av styrteknik. Effektfaktorkorrigeringar kan arbeta i kontinuerligt ledningsläge (CCM), avbrott (DCM) eller kritiskt ledningsläge (CrM). Dessa lägen skiljer sig åt beroende på driftsegenskaperna hos boost-induktorn (L1 i figur 1). CCM utnyttjar induktorn på bästa sätt och håller lednings- och kärnförlusterna låga, men CCM är svårkopplad och har högre dynamiska förluster. DCM kan vara effektiv vid lågeffektdrift, men lider av relativt höga topp- och rms-strömmar, vilket medför högre lednings- och kärnförluster i induktorn.

CrM kan ge högre effektivitet i konstruktioner upp till några hundra watt. Med CrM övervakas förändringar i linjespänningen och belastningsströmmen, och switchningsfrekvensen justeras för att fungera mellan CCM och DCM. CrM har låga förluster vid tillslag och begränsar toppströmmen till dubbelt så mycket som genomsnittsströmmen, vilket gör att lednings- och kärnförlusterna hålls på en rimlig nivå (figur 2).

Figur 2: Boost-induktorns toppström (Ipk) är begränsad i en CrM-effektfaktorkorrigering till dubbla inströmmen. (Bildkälla: onsemi)

Det finns dock vissa utmaningar i samband med användning av CrM:

• Det är en hårdswitchande topologi, och boost-enhetens återhämtning i framåtriktningen ger vissa förluster och kan orsaka en överspänning i utspänningen.
• Vid låg belastning körs den med mycket höga frekvenser, vilket ökar switchningsförlusterna och minskar effektiviteten.
• Det finns fyra aktiva enheter att styra, plus behovet av att upptäcka nollström i effektfaktorkorrigeringens induktor och reglera utspänningen.

CrM kan implementeras med hjälp av sensorer i kretsen tillsammans med en microcontroller för att utföra de komplicerade styralgoritmerna. Det är riskabelt och tidskrävande att koda algoritmerna för att ta hänsyn till de prestandautmaningar som beskrivs ovan, vilket kan försena marknadsintroduktionen.

Totempålar utan kod

För att lösa dessa problem kan konstruktörer använda sig av styrkretsen NCP1680ABD1R2G med blandade signaler från onsemi som ger en integrerad och kodfri CrM effektfaktorlösning med totempåle. Styrkretsen med SOIC-16 kapsling är klassificerad enligt AEC-Q100 för tillämpningar i fordon och har en resistiv strömavkänning med låg förlust och låg kostnad, samt en implementering av ett strömbegränsningsskydd cykel för cykel utan behov av en Hall-effektsensor (figur 3). Den internt kompenserade digitala styrslingan för spänningen optimerar prestandan i hela belastningsområdet, vilket förenklar konstruktionen av effektfaktorkorrigeringen.

Figur 3: CrM-styrkretsen NCP1680 använder billig och effektiv resistiv strömavkänning (nollströmsdetektering i det nedre högra hörnet av schemat). (Bildkälla: onsemi)

Gatedrivkrets med hög hastighet

Styrkretsen NCP1680 kan kombineras med gatedrivkretsen NCP51820 med hög hastighet från onsemi som finns i en QFN-kapsling på 4 x 4 mm med 15 stift. Den är konstruerad för användning med GIT-transistorer (Gate Injection Transistor) GaN-transistorer med hög elektronrörlighet (HEMT) och GaN-effektswitchar med halvbrygga och förbättringsläge (e-mode) (figur 4).

Figur 4: Styrkretsen NCP1680 (vänster) kan kombineras med gatedrivkretsen NCP51820 för hög hastighet (höger) för att driva GaN-enheter i en effektfaktorkorrigering med totempåle. (Bildkälla: onsemi)

NCP51820AMNTWG har exempelvis korta och matchade utbredningsfördröjningar samt ett spänningsområde för common-mode på primärsidans drivning från -3,5 V till +650 V (typiskt). Drivstegen har särskilda spänningsregulatorer för att skydda GaN-enheternas grindar från spänningspåfrestning. Gatedrivkretsarna NCP51820 har oberoende UVLO-skydd (underspänningsblockering) och termiskt avstängningsskydd.

För att förkorta tiden till marknaden kan konstruktörer använda utvärderingskortet NCP51820GAN1GEVB (EVB). Utvärderingskortet gör det lättare för konstruktörer att utforska prestandan hos gatedrivkretsarna NCP51820 för att på ett effektivt sätt driva två GaN-switchar i en konfiguration med totempåle. NCP51820GAN1GEVB är konstruerat med ett kretskort i fyra lager, 1310 mil x 1180 mil. Den innehåller GaN-drivkretsen NCP51820 och två e-mode GaN-switchar i en konfiguration med halvbrygga (figur 5).

Figur 5: NCP51820GAN1GEVB EVB innehåller drivkretsen NCP51820 och två E-mode GaN-switchar i en konfiguration med halvbrygga. (Bildkälla: onsemi)

Förslag till konstruktion

Det finns några enkla konstruktionsförslag som konstruktörer kan följa för att uppnå bästa möjliga prestanda när de använder dessa integrerade kretsar. För att förhindra att störningar kopplas in i signalvägen och oavsiktligt utlöser gatedrivkretsen NCP51820, rekommenderar onsemi exempelvis att styrsignaler (PWMH och PWML) från NCP1680 filtreras direkt på ingången till gatedrivkretsen. En resistor på 1 kΩ och en kondensator på antingen 47 eller 100 pF som placeras direkt på drivkretsens stift kan ge tillräcklig filtrering (figur 6).

Figur 6: Filtrering av styrsignalerna PWMH och PWML från NCP1680 direkt på ingången i styrkretsen NCP51820 kan förhindra störningseffekter, t.ex. oavsiktlig igångsättning av NCP51820. Filtreringen sker här med hjälp av en resistor på 1 kΩ (mitten till vänster) och kondensatorer på 47 pF (mitten till höger). (Bildkälla: onsemi)

Läget för hoppa över/standby i NCP1680 har mycket bra prestanda vid låg belastning och vid lätt belastning, men det måste utlösas externt genom att skicka en puls på stiftet PFCOK eller jorda stiftet SKIP och ansluts till styrningen för resonansläget i NCP13992 (figur 7). Komponentvärdena för gränssnittets krets bör likna liknande dem som finns på utvärderingskortet NCP1680 EVB. Vid normal drift är stiftet PFCMODE på styrenheten för resonansläge i NCP13992 densamma som styrenhetens VCC-förspänning. Den skickar en puls till jord när omvandlaren går in i hoppa över-läge. För att gå in i hoppa över-läge måste stiftet PFCOK vara under 400 mV i över 50 μs.

Figur 7: Exempel på den externa triggerkrets som behövs för att aktivera läget hoppa över/standby i NCP1680. (Bildkälla: onsemi)

Sammanfatttning

Att uppfylla kraven för effektivitet, EMC och PF i de senaste EnergyStar-standarderna, t.ex. 80 PLUS Titanium, kan vara en utmaning med en typisk topologi för effektfaktorkorrigering med boost-omvandlare. Konstruktörer kan istället använda sig av en topologi för effektfaktorkorrigering med totempåle. Som visas kan användningen av signalstyrenheten NCP1860 för blandade signaler, tillsammans med kringkomponenter från onsemi – såsom gatedrivkretsen NCP51820, ett utvärderingskort likväl som några bästa metoder för konstruktion – låter konstruktörer implementera en CrM-lösning för effektfaktorkorrigering med totempåle som uppfyller de standarder som krävs.

Rekommenderad läsning

1. Hur man gör energiinfrastrukturen effektivare och mer tillförlitlig, samtidigt som man sänker kostnaderna
2. Använd kiselkarbidbaserade MOSFET:ar för att öka effektiviteten i effektomvandlingen.