Wanneer en hoe een bridgeless totem-pole vermogensfactorcorrectie gebruiken?

Een hoge vermogensfactor (PF) en hoge efficiëntie zijn belangrijke vereisten voor AC-DC-voedingen die worden gebruikt in servers, netwerken, 5G-telecommunicatie, industriële systemen, elektrische voertuigen en een reeks andere toepassingen. De uitdaging voor ontwerpers van voedingen is echter om tegelijkertijd te voldoen aan de vereisten voor PF en elektromagnetische compatibiliteit (EMC) van normen als IEC 61000-3-2, en aan de nieuwste 80 PLUS Titanium efficiëntienorm van EnergyStar. De laatste vereist een rendement van minimaal 90% bij 10% belasting en 94% bij volle belasting. Een conventionele boost PF-correctie (PFC) topologie kan een hoge PF en goede EMC leveren, maar bevat een relatief inefficiënte diodebrug, waardoor het moeilijk is om aan de verwachte efficiëntienormen te voldoen.

Vervanging van de diodebrug door een bridgeless totem-pole PFC-topologie levert zowel een hoge PF als een hoog rendement op. Dit leidt echter tot een grotere complexiteit omdat de topologie twee regelkringen omvat: een langzame lus die werkt op de lijnfrequentie voor gelijkrichting, en een hoogfrequente lus voor de boost-sectie. Het ontwerpen van twee regelkringen vanaf nul is een tijdrovend proces dat de marktintroductie kan vertragen en kan resulteren in een oplossing die duurder en groter is dan nodig.

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, kunnen ontwerpers zich in plaats daarvan wenden tot PFC-controller IC's die geoptimaliseerd zijn voor gebruik in bridgeless totem-pole PFC-ontwerpen. Deze regelaars hebben intern gecompenseerde digitale lussen, kunnen cyclus-per-cyclus stroombegrenzing implementeren zonder dat een Hall-effectsensor nodig is, en kunnen worden gebruikt met silicium MOSFET's of schakelapparatuur met brede bandbreedte (WBG), zoals siliciumcarbide (SiC) of galliumnitride (GaN). De resulterende PFC kan werken met ingangen van 90 tot 265 volt wisselstroom en met rendementen tot 99%.

Dit artikel bespreekt kort de industrienormen waaraan AC-DC-voedingen moeten voldoen, vergelijkt de prestaties van verschillende PFC-topologieën en geeft aan wanneer een bridgeless totem-pole PFC de beste keuze is. Vervolgens wordt een controller-IC van onsemi gepresenteerd die geoptimaliseerd is voor gebruik in bridgeless totem-pole PFC, samen met ondersteunende componenten, een evaluatiebord en ontwerpsuggesties om het ontwikkelingsproces te versnellen.

Efficiëntie kan ingewikkeld zijn

Het rendement van de voeding is ingewikkelder dan het op het eerste gezicht lijkt, omdat het zowel wissel- als gelijkstroomcomponenten omvat. Het eenvoudige rendement is de verhouding tussen het ingangsvermogen en het uitgangsvermogen. Het ingangsvermogen van een typische AC-DC-voeding is echter niet zuiver sinusvormig, zodat er een verschil is tussen het in- en uit-fase vermogen dat van het lichtnet wordt afgenomen. Dat verschil wordt erkend als de PF. Voor een volledige beschrijving van de efficiëntie van een AC-DC-voeding moeten zowel de DC-efficiëntie als de PF worden opgenomen. Om het nog moeilijker te maken, zijn de rendementscurven niet vlak: rendement en PF kunnen variëren met parameters zoals de ingangsspanning en de uitgangsbelasting.

Om met deze variabelen rekening te houden, definiëren efficiëntienormen zoals EnergyStar de efficiëntie bij verschillende belastingsniveaus en bij verschillende ingangsspanningen, samen met een vereiste voor PF (Tabel 1). Het hoogste niveau, "80 PLUS Titanium" genoemd, specificeert een minimale efficiëntie voor 115 volt AC-ingang van 90% bij zowel 10% als 100% van de nominale belasting, 94% efficiëntie bij 50% van de nominale belasting, plus een PF van ≥95% bij 20% van de nominale belasting. Een hoger rendement is vereist voor 230 volt wisselspanning. Bovendien wordt van voedingen verwacht dat zij voldoen aan IEC 61000-3-2, die grenzen stelt aan de harmonischen op de voedingslijn.

Tabel 1: Prestatienormen zoals EnergyStar omvatten eisen voor zowel PF als efficiëntie. (Bron tabel: onsemi)

Er zijn twee gangbare benaderingen van PFC: een boostconvertor op basis van diode-gelijkrichting en een complexere, efficiëntere totem-pole-topologie op basis van actieve gelijkrichting (Afbeelding 1). Een boostconvertor PFC kan voldoen aan de basis PF- en rendementseisen, maar is niet geschikt voor strenge eisen zoals 80 PLUS Titanium. In een boost-PFC kunnen er bijvoorbeeld verliezen van 2% optreden in de DC-DC-fase en verliezen van 1% in de lijngelijkrichting en de PFC-fase (dit kan oplopen tot bijna 2% bij lage lijnwerking). Met bijna 4% verlies bij lage lijn is het een uitdaging om te voldoen aan de 80 PLUS Titanium eis van 96% rendement bij een ingang van 230 Volt AC en 50% belasting. In toepassingen die de hoogste efficiëntieniveaus vereisen, kunnen de verliezen in de PFC-fase worden verminderd door de diodegelijkrichters te vervangen door synchrone gelijkrichting.

Afbeelding 1: Twee gebruikelijke PFC-topologieën zijn een eenvoudige boostconvertor (links) en een totem-pole (rechts). (Bron afbeelding: onsemi)

In de totem-pole-PFC hierboven vormen Q3 en Q4 de langzame poot die de synchrone gelijkrichting op netfrequentie uitvoert, terwijl Q1 en Q2 de snelle poot vormen die de gelijkgerichte spanning opvoert naar een hoger niveau, zoals 380 volt DC. Hoewel het mogelijk is een totem-pole te realiseren met MOSFET's met lage weerstand (R_ON) voor Q1 en Q2, verminderen de hoogfrequente schakelverliezen als gevolg van de omgekeerde terugwinning van de MOSFET's de efficiëntie. Bijgevolg worden in veel totem-pole-PFC-ontwerpen de silicium-MOSFET's van Q1 en Q2 vervangen door SiC- of GaN-vermogensschakelaars die weinig of geen terugverliezen hebben.

Geoptimaliseerde controle

Een andere beslissing bij het ontwerp van een PFC is de keuze van de regeltechniek. PFC's kunnen werken in continue geleidingsmodus (CCM), discontinue (DCM) of kritische geleidingsmodus (CrM). Deze modi verschillen door de werkingskarakteristieken van de boost-spoel (L1 in Afbeelding 1). CCM maakt het beste gebruik van de spoel en houdt de geleidings- en kernverliezen laag, maar CCM is moeilijk schakelbaar en heeft hogere dynamische verliezen. DCM kan efficiënt zijn voor een laag vermogen, maar heeft te lijden onder relatief hoge piek- en rms-stromen, hetgeen leidt tot hogere geleidings- en kernverliezen in de spoel.

CrM kan een hoger rendement opleveren in ontwerpen tot een paar honderd watt. Met CrM worden veranderingen in lijnspanning en belastingsstroom bewaakt, en wordt de schakelfrequentie aangepast om tussen CCM en DCM te werken. CrM heeft lage inschakelverliezen en beperkt de piekstroom tot tweemaal de gemiddelde stroom, waardoor de geleidings- en kernverliezen op een redelijk niveau blijven (figuur 2).

Afbeelding 2: De piekstroom (Ipk) van de CrM PFC boost-inductor is beperkt tot het dubbele van de ingangslijnstroom. (Bron afbeelding: onsemi)

Er zijn echter enkele uitdagingen verbonden aan het gebruik van CrM:

• Het is een hard-switching topologie, en de forward recovery van de boost device voegt wat verliezen toe en kan een overshoot van de uitgangsspanning veroorzaken.
• Bij lichte belasting draait hij op zeer hoge frequenties, waardoor de schakelverliezen toenemen en het rendement afneemt.
• Er zijn vier actieve apparaten te regelen, plus de noodzaak om nulstroom in de PFC-inductor te detecteren en de uitgangsspanning te regelen.

CrM kan worden uitgevoerd met behulp van sensoren in het circuit en een microcontroller (MCU) om de complexe regelalgoritmen uit te voeren. Het coderen van de algoritmen om rekening te houden met de hierboven beschreven prestatie-uitdagingen is riskant en tijdrovend, en kan de marktintroductie vertragen.

Geen-code totem-poles

Om deze problemen aan te pakken, kunnen ontwerpers zich wenden tot de NCP1680ABD1R2G mixed-signal controller van onsemi, die een geïntegreerde en no-code CrM totem-pole PFC-oplossing biedt. De SOIC-16 verpakte controller is AEC-Q100 gekwalificeerd voor automobieltoepassingen en beschikt over resistieve stroomdetectie met laag verlies en lage kosten, en implementeert cyclus-voor-cyclus stroombegrenzende bescherming zonder de noodzaak van een Hall-effectsensor (Afbeelding 3). De intern gecompenseerde digitale spanningsregelkring optimaliseert de prestaties over het gehele belastingsbereik, waardoor het PFC-ontwerp wordt vereenvoudigd.

Afbeelding 3: De NCP1680 CrM-controller maakt gebruik van goedkope en efficiënte resistieve stroomdetectie (ZCD rechtsonder in het schema). (Bron afbeelding: onsemi)

Snelle gatedriver

De NCP1680-controller kan worden gekoppeld aan onsemi's 4 x 4 millimeter (mm) 15-pin QFN verpakte NCP51820 snelle gatedriver. Hij is ontworpen voor gebruik met gate injection transistor (GIT) GaN high electron mobility transistors (HEMT's) en enhancement mode (e-mode) GaN-vermogensschakelaars in half-brug topologieën (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De NCP1680-controllers (links) kunnen worden gekoppeld aan de NCP51820 snelle gatedriver (rechts) om GaN power devices in een totem-pole-PFC aan te sturen. (Bron afbeelding: onsemi)

Bijvoorbeeld, de NCP51820AMNTWG kenmerkt korte en aangepaste propagatievertragingen, evenals een common-mode voltage bereik voor de high-side drive van -3,5 volt tot +650 volt (typisch). De drivertrappen hebben speciale spanningsregelaars om de gates van GaN-apparaten te beschermen tegen spanningsstress. De NCP51820-gatedrivers bevatten onafhankelijke onderspanningsvergrendeling (UVLO) en thermische uitschakelbeveiliging.

Om de time-to-market te versnellen, kunnen ontwerpers het NCP51820GAN1GEVB-evaluatiebord (EVB) gebruiken. Deze EVB helpt ontwerpers de prestaties te onderzoeken van de NCP51820-drivers om twee GaN-vermogensschakelaars in een totem-pole-configuratie efficiënt aan te sturen. De NCP51820GAN1GEVB is ontworpen met behulp van een vierlaagse, 1310 duizendsten van een inch (mil) x 1180 mil printplaat (PC). Hij omvat de NCP51820 GaN-driver en twee e-mode GaN-vermogensschakelaars in een halfbrugconfiguratie (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: De NCP51820GAN1GEVB EVB bevat een NCP51820-driver en twee E-mode GaN-schakelaars in een halfbrugconfiguratie. (Bron afbeelding: onsemi)

Ontwerpvoorstellen

Er zijn enkele eenvoudige ontwerpsuggesties die ontwerpers kunnen volgen om de beste prestaties te realiseren bij het gebruik van deze IC's. Om bijvoorbeeld te voorkomen dat ruis in het signaalpad komt en de NCP51820 gate driver per ongeluk wordt geactiveerd, raadt onsemi aan om de stuursignalen (PWMH en PWML) van de NCP1680 rechtstreeks aan de ingang van het gatedriver IC te filteren. Een weerstand van 1 kiloohm (kΩ) en een condensator van 47 of 100 picofarad (pF) rechtstreeks op de pen van het stuurprogramma kunnen voor voldoende filtering zorgen (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Filtering van de PWMH- en PWML-stuursignalen van de NCP1680 direct aan de ingang van het NCP51820 gatedriver IC kan ruiseffecten voorkomen, zoals het per ongeluk activeren van de NCP51820. Het filteren gebeurt hier met 1 kΩ weerstanden (midden links) en 47 pF-condensators (midden rechts). (Bron afbeelding: onsemi)

De skip/standby-modus van de NCP1680 maakt zeer goede onbelaste en lichtbelaste prestaties mogelijk, maar moet extern worden geactiveerd door de PFCOK-pen te pulseren of de SKIP-pen aan de massa te leggen en een verbinding te maken met de NCP13992-resonantiecontroller (Afbeelding 7). De componentwaarden voor het interfacecircuit moeten vergelijkbaar zijn met die van de NCP1680 EVB. Onder normale omstandigheden is de PFCMODE-pin op de NCP13992 resonantieregelaar gelijk aan de VCC-biaspanning van de controller. Het pulseert naar massa wanneer de convertor in de skip-mode komt. Om in de skip-modus te komen, moet de PFCOK-pin gedurende meer dan 50 microseconden (μs) onder 400 millivolt (mV) staan.

Afbeelding 7: Voorbeeld van het externe triggering-circuit dat nodig is om de skip/standby mode in de NCP1680 op te roepen. (Bron afbeelding: onsemi)

Conclusie

Gelijktijdig voldoen aan de efficiëntie-, EMC- en PF-vereisten van de nieuwste EnergyStar-normen, zoals 80 PLUS Titanium, kan een uitdaging zijn met een typische PFC-topologie van een boostconvertor. Ontwerpers kunnen in plaats daarvan kiezen voor een totem-pole-PFC-topologie. Zoals getoond, kunnen ontwerpers door het gebruik van de NCP1680 mixed signal controller, samen met ondersteunende componenten van onsemi-zoals de NCP51820-gatedriver, een evaluatiebord en enkele best practices voor ontwerp, snel een CrM totem-pole PFC-oplossing implementeren en tegelijkertijd voldoen aan de vereiste normen.

Aanbevolen leesmateriaal

1. Hoe de energie-infrastructuur efficiënter en betrouwbaarder te maken en tegelijk de kosten te drukken
2. Op SiC gebaseerde MOSFET's gebruiken om de efficiëntie van de vermogensconversie te verbeteren