Când și cum să utilizați corecția factorului de putere cu pol de ieșire în contratimp fără punte

Factorul de putere (PF) ridicat și eficiența ridicată sunt cerințe esențiale pentru sursele de alimentare c.a. - c.c. utilizate în servere, rețele, telecomunicații 5G, sisteme industriale, vehicule electrice și o serie de alte aplicații. Cu toate acestea, provocarea pentru proiectanții de surse de alimentare este de îndeplinirea simultană a cerințelor PF și de compatibilitate electromagnetică (CEM) ale unor standarde ca IEC 61000-3-2, precum și cel mai recent standard de eficiență 80 PLUS Titanium de la EnergyStar. Acesta din urmă solicită o eficiență minimă de 90% la o sarcină de 10% și de 94% la sarcină maximă. O topologie convențională de corecție PF (PFC) poate oferi un PF ridicat și o bună compatibilitate electromagnetică, dar include o punte de diode relativ ineficientă, ceea ce face dificilă îndeplinirea standardelor de eficiență așteptate.

Înlocuirea punții de diode cu o topologie PFC cu pol de ieșire în contratimp fără punte oferă atât un PF ridicat, cât și o eficiență ridicată. Totuși, acest lucru introduce o mai mare complexitate, deoarece topologia include două bucle de control: o buclă lentă care funcționează la frecvența de linie pentru redresare și o buclă de înaltă frecvență pentru secțiunea de amplificare. Proiectarea a două bucle de control de la zero este un proces care durează mult și care poate întârzia lansarea pe piață și poate duce la o soluție mai costisitoare și mai mare decât este necesar.

Pentru a face față acestor provocări, proiectanții se pot orienta către circuite integrate de control PFC optimizate pentru utilizarea în proiectele PFC cu pol de ieșire în contratimp fără punte. Aceste controlere au bucle digitale compensate intern, pot implementa limitarea curentului ciclu cu ciclu fără a avea nevoie de un senzor cu efect Hall și pot fi utilizate cu MOSFET-uri de siliciu sau dispozitive de comutare cu bandă largă (WBG), cum ar fi carbura de siliciu (SiC) sau nitrura de galiu (GaN). PFC-ul rezultat poate funcționa cu intrări de la 90 la 265 de volți c.a. și cu randamente de până la 99%.

Acest articol prezintă pe scurt standardele industriale pe care trebuie să le îndeplinească sursele de alimentare c.a. - c.c. , compară performanțele diferitelor topologii PFC și identifică situațiile în care un PFC cu pol de ieșire în contratimp fără punte este cea mai bună alegere. Apoi, prezintă un circuit integrat de control de la onsemi, optimizat pentru utilizarea în PFC cu pol de ieșire în contratimp fără punte, împreună cu componente auxiliare, o placă de evaluare și sugestii de proiectare pentru accelerarea procesului de dezvoltare.

Eficiența poate fi complicată

Eficiența sursei de alimentare este mai complicată decât pare la prima vedere, deoarece include atât componente de curent alternativ, cât și de curent continuu. Eficiența simplă este raportul dintre puterea de intrare și puterea de ieșire. Cu toate acestea, puterea de intrare pentru o sursă de alimentare c.a. - c.c. tipică nu este pur sinusoidală, ceea ce duce la o diferență între puterea în fază și puterea în afara fazei extrasă din rețeaua de curent alternativ. Această diferență este cunoscută ca PF. Pentru o descriere completă a eficienței unei surse de alimentare c.a. - c.c., trebuie incluse atât eficiența c.c., cât și PF. Un lucru și mai dificil, curbele de eficiență nu sunt plate: eficiența și PF pot varia în funcție de parametri precum tensiunea de intrare și sarcina de ieșire.

Pentru a ține cont de aceste variabile, standardele de eficiență, precum EnergyStar, definesc eficiența la diferite niveluri de sarcină și la diferite tensiuni de intrare, împreună cu o cerință pentru PF (Tabelul 1). Cel mai înalt nivel, numit „80 PLUS Titanium”, specifică o eficiență minimă pentru o intrare de 115 volți c.a. de 90%, atât la 10%, cât și la 100% din sarcina nominală, o eficiență de 94% la 50% din sarcina nominală, plus un PF de ≥95% la 20% din sarcina nominală. Pentru o intrare de 230 de volți c.a. sunt necesare eficiențe mai mari. În plus, se așteaptă ca sursele de alimentare să respecte standardul IEC 61000-3-2, care impune limite pentru armonicele liniei de alimentare.

Tabelul 1: standardele de performanță, cum ar fi EnergyStar, includ cerințe privind PF, precum și eficiența. (Sursa tabelului: onsemi)

Există două abordări comune ale PFC: un convertor de amplificare bazat pe redresarea cu diode; și o topologie mai complexă și mai eficientă cu pol de ieșire în contratimp bazată pe redresare activă (Figura 1). Un convertor PFC de amplificare poate îndeplini cerințele de bază privind PF și eficiența, dar nu este adecvat pentru cerințe stricte, cum ar fi 80 PLUS Titanium. De exemplu, într-un PFC de amplificare, pot exista pierderi de 2% în etajul c.c. - c.c. și pierderi de 1% în etajul de redresare a liniei și PFC (acestea pot crește până la aproape 2% în cazul unei funcționări cu linie joasă). Cu pierderi de aproape 4% la linia joasă, este dificil să se îndeplinească cerința 80 PLUS Titanium de 96% eficiență cu o intrare de 230 volți c.a. și o încărcare de 50%. În aplicațiile care necesită cele mai înalte niveluri de eficiență, pierderile din etajul PFC pot fi reduse prin înlocuirea redresoarelor cu diode cu redresare sincronă.

Figura 1: două topologii PFC comune includ un convertor de amplificare de bază (stânga) și un pol de ieșire în contratimp (dreapta). (Sursa imaginii: onsemi)

În cazul PFC cu pol de ieșire în contratimp de mai sus, Q3 și Q4 reprezintă secțiunea lentă care implementează redresarea sincronă la frecvența de linie, în timp ce Q1 și Q2 formează secțiunea rapidă care amplifică tensiunea redresată la un nivel mai ridicat, cum ar fi 380 de volți c.c. Deși este posibilă implementarea unui pol de ieșire în contratimp folosind MOSFET-uri cu rezistență redusă la pornire (R_ON) pentru Q1 și Q2, pierderile la comutare de înaltă frecvență datorate recuperării inverse a MOSFET-urilor reduc eficiența. Drept urmare, în multe proiecte PFC cu pol de ieșire în contratimp, MOSFET-urile de siliciu Q1 și Q2 sunt înlocuite cu comutatoare de putere SiC sau GaN care au pierderi mici sau chiar inexistente în recuperarea inversă.

Control optimizat

O altă decizie legată de proiectarea unui PFC este selectarea tehnicii de control. PFC-urile pot funcționa în mod de conducție continuă (CCM), discontinuă (DCM) sau în mod de conducție critică (CrM). Aceste moduri diferă prin caracteristicile de funcționare ale inductorului de amplificare (L1 în Figura 1). CCM utilizează cel mai bine inductorul și menține la un nivel scăzut pierderile de conducție și din miez, dar CCM are comutare „hard” și are pierderi dinamice mai mari. DCM poate fi eficient pentru funcționarea la putere redusă, dar suferă de curenți de vârf și rms relativ mari, ceea ce duce la pierderi mai mari la conducție și la miez în inductor.

CrM poate oferi o eficiență mai mare în proiecte, de până la câteva sute de wați. Cu CrM, modificările tensiunii de linie și ale curentului de sarcină sunt monitorizate, iar frecvența de comutare este reglată pentru a funcționa între CCM și DCM. CrM are pierderi reduse la pornire și limitează curentul de vârf la dublul curentului mediu, menținând un nivel rezonabil al pierderilor la conducție și la miez (Figura 2).

Figura 2: curentul de vârf al inductorului de amplificare CrM PFC (Ipk) este limitat la dublul curentului liniei de intrare. (Sursa imaginii: onsemi)

Cu toate acestea, există unele provocări asociate cu utilizarea CrM:

• Este o topologie de comutare „hard”, iar recuperarea directă a dispozitivului de amplificare adaugă unele pierderi și poate provoca o supraîncărcare a tensiunii de ieșire.
• La sarcini ușoare, acesta funcționează la frecvențe foarte mari, ceea ce crește pierderile la comutare și reduce eficiența.
• Există patru dispozitive active de controlat, plus necesitatea de a detecta curentul zero în inductorul PFC și de a regla tensiunea de ieșire.

CrM poate fi implementat folosind senzori în circuit împreună cu un microcontroler (MCU) pentru a aplica algoritmi de control complecși. Codificarea algoritmilor pentru a ține cont de provocările de performanță descrise mai sus este riscantă și consumă mult timp, ceea ce ar putea întârzia lansarea pe piață.

Poli de ieșire în contratimp fără cod

Pentru a aborda aceste aspecte, proiectanții pot utiliza controlerul cu semnal mixt NCP1680ABD1R2G de la onsemi, care oferă o soluție PFC cu pol de ieșire în contratimp cu CrM integrat și fără cod. Controlerul în capsulă SOIC-16 este calificat AEC-Q100 pentru aplicații auto și dispune de o detectare a curentului rezistiv cu pierderi reduse, cu costuri reduse și implementează o protecție de limitare a curentului ciclu cu ciclu fără a fi nevoie de un senzor cu efect Hall (Figura 3). Bucla de control al tensiunii digitale compensate intern optimizează performanța pe toată gama de sarcini, simplificând proiectarea PFC.

Figura 3: controlerul NCP1680 CrM utilizează o detectare a curentului rezistiv ieftină și eficientă (ZCD în colțul din dreapta jos al schemei). (Sursa imaginii: onsemi)

Driver de poartă de mare viteză

Controlerul NCP1680 poate fi asociat cu driverul de poartă de mare viteză NCP51820 de 4 x 4 milimetri (mm) cu 15 pini QFN de la onsemi. Acesta este proiectat pentru a fi utilizat cu tranzistoare cu injecție de poartă (GIT) GaN cu mobilitate ridicată a electronilor (HEMT) și comutatoare de putere GaN cu mod de îmbunătățire (e-mode) în topologii cu punte parțială (Figura 4).

Figura 4: controlerele NCP1680 (stânga) pot fi asociate cu driverul de poartă de mare viteză NCP51820 (dreapta) pentru a comanda dispozitive de putere GaN într-un PFC cu pol de ieșire în contratimp. (Sursa imaginii: onsemi)

De exemplu, NCP51820AMNTWG prezintă întârzieri de propagare scurte și adaptate, precum și o gamă de tensiune de mod comun pentru comanda de înaltă tensiune de la -3,5 volți la +650 volți (tipic). Etapele de comandă au regulatoare de tensiune dedicate pentru a proteja porțile dispozitivelor GaN de stresul de tensiune. Driverele de poartă NCP51820 includ protecție independentă împotriva blocării subtensiunii (UVLO) și opririi termice.

Pentru a accelera timpul de lansare pe piață, proiectanții pot utiliza placa de evaluare (EVB) NCP51820GAN1GEVB. Acest EVB ajută proiectanții să exploreze performanța driverelor NCP51820 pentru a comanda eficient două comutatoare de putere GaN într-o configurație cu pol de ieșire în contratimp. NCP5182020GAN1GEVB este proiectat folosind o placă de circuite imprimate (PCB) cu patru straturi, de 1310 miimi de inch (mil) x 1180 mil. Acesta include driverul NCP51820 GaN și două comutatoare de putere GaN cu mod de îmbunătățire într-o configurație cu punte parțială (Figura 5).

Figura 5: EVB NCP51820GAN1GEVB include un driver NCP51820 și două comutatoare GaN cu mod de îmbunătățire într-o configurație de tip punte parțială. (Sursa imaginii: onsemi)

Sugestii privind proiectarea

Există câteva sugestii simple legate de proiectare pe care proiectanții le pot urma pentru a obține cele mai bune performanțe atunci când utilizează aceste circuite integrate. De exemplu, pentru a preveni cuplarea zgomotului în calea semnalului și declanșarea accidentală a driverului de poartă NCP51820, onsemi recomandă ca semnalele de control (PWMH și PWML) de la NCP1680 să fie filtrate direct la intrarea circuitului integrat al driverului de poartă. Un rezistor de 1 kiloohm (kΩ) și un condensator de 47 sau 100 picofarazi (pF) plasat direct la pinul driverului pot asigura o filtrare adecvată (Figura 6).

Figura 6: filtrarea semnalelor de control PWMH și PWML de la NCP1680 chiar la intrarea circuitului integrat de comandă a porții NCP51820 poate preveni efectele de zgomot, cum ar fi declanșarea accidentală a NCP51820. Filtrarea este realizată aici folosind rezistoare de 1 kΩ (centru stânga) și condensatoare de 47 pF (centru dreapta). (Sursa imaginii: onsemi)

Modul omitere/standby al NCP1680 permite performanțe foarte bune în condiții fără sarcină și la sarcini ușoare, dar trebuie declanșat din exterior prin pulsarea pinului PFCOK sau prin împământarea pinului SKIP și interfațarea cu controlerul cu mod rezonant NCP13992 (Figura 7). Valorile componentelor pentru circuitele de interfață ar trebui să fie similare cu cele de pe NCP1680 EVB. În condiții normale de funcționare, pinul PFCMODE de pe controlerul cu mod rezonant NCP13992 este același cu tensiunea de polarizare VCC a controlerului. Acesta pulsează la masă atunci când convertorul intră în modul de omitere. Pentru a intra în modul de omitere, pinul PFCOK trebuie să fie sub 400 de milivolți (mV) timp de peste 50 de microsecunde (μs).

Figura 7: exemplu de circuit de declanșare externă necesar pentru a invoca modul omitere/standby în NCP1680. (Sursa imaginii: onsemi)

Concluzie

Îndeplinirea simultană a cerințelor de eficiență, CEM și PF ale celor mai recente standarde EnergyStar, cum ar fi 80 PLUS Titanium, poate fi dificilă cu o topologie PFC tipică a convertorului de amplificare. În schimb, proiectanții pot apela la o topologie PFC cu pol de ieșire în contratimp. După cum s-a arătat, utilizarea controlerului de semnal mixt NCP1680, împreună cu componentele auxiliare de la onsemi – cum ar fi driverul de poartă NCP51820, o placă de evaluare, precum și unele dintre cele mai bune practici de proiectare – permite proiectanților să implementeze rapid o soluție PFC CrM cu pol de ieșire în contratimp, respectând în același timp standardele necesare.

Lectură recomandată

1. Cum să creșteți eficiența și fiabilitatea infrastructurii energetice, reducând în același timp costurile
2. Utilizarea MOSFET-urilor pe bază de SiC pentru îmbunătățirea eficienței de conversie a puterii