Kdy a jak používat bezmůstkovou kompenzaci účiníku typu totem pole

Vysoký účiník (PF) a vysoká účinnost jsou klíčové požadavky na AC-DC napájecí zdroje používané v serverech, sítích, 5G telekomunikacích, průmyslových systémech, elektromobilech vozidlech a v řadě dalších aplikací. Výzvou pro konstruktéry napájecích zdrojů je však současné splnění požadavků na kompenzaci účiníku a elektromagnetickou kompatibilitu (EMC) podle norem, jako je IEC 61000-3-2, jakož i nejnovější standard účinnosti 80 PLUS Titanium od společnosti EnergyStar. Ten vyžaduje minimálně 90% účinnost při 10% zatížení a 94% účinnost při plném zatížení. Ačkoli může konvenční topologie kompenzace účiníku (PFC) se zesílením zajistit vysoký účiník a dobrou elektromagnetickou kompatibilitu (EMC), zahrnuje relativně neúčinný diodový můstek, což ztěžuje splnění očekávaných norem účinnosti.

Výměna diodového můstku za bezmůstkovou topologii kompenzace s totemovým pólem přináší jak vysoký účiník, tak i vysokou účinnost. Takové řešení však znamená i vyšší složitost, protože topologie zahrnuje dvě řídicí smyčky: pomalou smyčku pracující na síťovém kmitočtu linky pro usměrňovací část a vysokofrekvenční smyčku pro zesilovací část. Návrh dvou řídicích smyček od začátku je časově náročný proces, který může zpozdit čas uvedení na trh a vyústit v nákladnější a větší řešení, než je skutečně nutné.

Aby konstruktéři čelili těmto výzvám, mohou namísto toho využívat integrované obvody řadiče kompenzace účiníku optimalizované pro použití v bezmůstkových konstrukcích kompenzace účiníku typu totem pole. Tyto řadiče mají vnitřně kompenzované digitální smyčky, mohou implementovat omezení proudu po jednotlivých cyklech bez potřeby Hallovy sondy a lze je použít s křemíkovými tranzistory MOSFET nebo spínacími součástkami se širokým zakázaným pásmem (WBG), například karbidem křemíku (SiC) nebo nitridem galia. (GaN). Výsledná kompenzace účiníku může pracovat se vstupním napětím 90 až 265 V AC a s účinností až 99 %.

Tento článek stručně shrnuje průmyslové standardy, které musí splňovat napájecí zdroje AC-DC, porovnává výkon různých topologií kompenzace účiníku a identifikuje případy, kdy je bezmůstková kompenzace účiníku typu totem pole nejlepší volbou. Poté představuje IO řadiče od společnosti onsemi optimalizovaný pro použití v bezmůstkové kompenzaci účiníku typu totem pole společně s podpůrnými součástkami, vyhodnocovací deskou a konstrukčními doporučeními pro urychlení procesu vývoje.

Účinnost může být komplikovaná

Účinnost napájecího zdroje je komplikovanější, než se na první pohled zdá, protože zahrnuje střídavé i stejnosměrné složky. Jednoduchá účinnost je poměr vstupního výkonu k výstupnímu výkonu. Vstupní výkon pro typický AC-DC napájecí zdroj však není čistě sinusový, což má za následek rozdíl mezi soufázovým a fázově posunutým výkonem odebíraným z napájecí elektrické sítě. Tento rozdíl je rozpoznáván jako účiník. Pro úplný popis účinnosti AC-DC napájecího zdroje je třeba zahrnout jak stejnosměrnou účinnost, tak i účiník. Aby byla problematika náročnější, křivky účinnosti nejsou ploché: účinnost a účiník se mohou měnit s parametry, jako je vstupní napětí a výstupní zátěž.

Pro zohlednění těchto proměnných je různými normami účinnosti, například EnergyStar, definovaná účinnost při různých stupních zátěže a různých vstupních napětích společně s požadavkem na účiník (tabulka 1). Nejvyšší úroveň, nazvaná „80 PLUS Titanium“, definuje minimální účinnost pro vstupní napětí 115 V AC jako 90 % při 10 % i 100 % jmenovité zátěže, 94 % při 50 % jmenovité zátěže, a účiník ≥95 % při 20 % jmenovité zátěže. Pro vstupní napětí 230 V AC jsou vyžadovány vyšší účinnosti. Kromě toho se očekává, že napájecí zdroje budou splňovat normu IEC 61000-3-2, která omezuje harmonické složky elektrického vedení.

Tabulka 1: Výkonové normy jako EnergyStar zahrnují požadavky na účiník i účinnost. (Zdroj tabulky: onsemi)

Existují dvě běžné koncepce kompenzace účiníku: zvyšovací převodník založený usměrňování pomocí diody a složitější, efektivnější topologie s totemovým pólem založená na aktivním usměrňování (obrázek 1). Zvyšovací převodník kompenzace účiníku může splňovat základní požadavky na účiník a účinnost, ale není vhodný pro přísné požadavky, jako je úroveň 80 PLUS Titanium. Například při zesilovací kompenzaci účiníku může dojít ke ztrátám 2 % ve DC-DC stupni a 1 % ve stupni usměrňování napájecího napětí a kompenzace účiníku (tato hodnota může vzrůst až na téměř 2 % při dolním mezním napětí). Díky téměř 4% ztrátám při dolním mezním napětí je náročné splnit požadavek 80 PLUS Titanium na 96% účinnost při vstupním napětí 230 V AC a 50% zatížení. V aplikacích, které vyžadují nejvyšší úroveň účinnosti, lze ztráty ve stupni kompenzace účiníku snížit nahrazením diodových usměrňovačů synchronním usměrňovačem.

Obrázek 1: Dvě běžné topologie kompenzace účiníku zahrnují základní zvyšovací převodník (vlevo) a totemový pól (vpravo). (Zdroj obrázku: onsemi)

Ve výše uvedené kompenzaci účiníku typu totem pole představují prvky Q3 a Q4 pomalou větev implementující synchronní usměrnění při síťové frekvenci, zatímco prvky Q1 a Q2 tvoří rychlou větev, která zvyšuje usměrněné napětí na vyšší úroveň, například 380 V DC. Ačkoli lze totemový pól implementovat pomocí tranzistorů MOSFET s nízkým odporem v zapnutém stavu (R_ON) jako prvků Q1 a Q2, vysokofrekvenční spínací ztráty v důsledku zpětného zotavení tranzistorů MOSFET snižují účinnost. V důsledku toho jsou v mnoha konstrukcích kompenzace účiníku typu totem pole křemíkové tranzistory MOSFET Q1 a Q2 nahrazovány výkonovými spínači SiC nebo GaN, které mají malé nebo nulové ztráty při zpětném zotavení.

Optimalizované ovládání

Dalším rozhodnutím při návrhu kompenzace účiníku je výběr řídicí techniky. Kompenzace účiníku může pracovat v režimu kontinuálního vedení (CCM), nespojitého (DCM) nebo kritického vedení (CrM). Tyto režimy se liší provozními charakteristikami zesilovacího induktoru (L1 na obrázku 1). Režim CCM nejlépe využívá induktor a udržuje nízké ztráty ve vedení a v jádře, vykazuje však tvrdé spínání a vyšší dynamické ztráty. Režim DCM může být efektivní pro provoz s nízkým výkonem, ale trpí relativně vysokými špičkovými a efektivními proudy, což má za následek vyšší ztráty vedením a v jádře induktoru.

Režim CrM může poskytnout vyšší účinnost v konstrukcích až do několika stovek wattů. V režimu CrM jsou monitorovány změny síťového napětí a zátěžného proudu a spínací frekvence je nastavena tak, aby pracovala mezi režimy CCM a DCM. Režim CrM vykazuje nízké spínací ztráty a omezuje proud ve špičce na dvojnásobek průměrného proudu, přičemž udržuje vedení a ztráty v jádře na rozumné úrovni (obrázek 2).

Obrázek 2: Proud zesilovacího induktoru CrM PFC (Ipk) ve špičce je omezen na dvojnásobek vstupního proudu. (Zdroj obrázku: onsemi)

S používáním režimu CrM jsou však spojeny některé problémy:

• Jedná se o topologii s tvrdým spínáním a zotavení zesilovacího prvku v propustném směru přidává určité ztráty a může způsobit překmit výstupního napětí.
• Při nízké zátěži běží na velmi vysokých frekvencích, což zvyšuje spínací ztráty a snižuje účinnost.
• Je potřeba ovládat čtyři aktivní prvky a navíc detekovat nulový proud v induktoru kompenzace účiníku a regulovat výstupní napětí.

Režim CrM lze implementovat pomocí vnitřních obvodových senzorů společně s mikrokontrolérem (MCU) pro provádění komplexních řídicích algoritmů. Kódování algoritmů, které zohledňují výše uvedené výkonnostní problémy, je riskantní a časově náročné, což může zpozdit dobu uvedení na trh.

Totemové póly bez kódu

Pokud konstruktéři chtějí tyto obavy vyřešit, mohou využít řadič NCP1680ABD1R2G se smíšeným signálem od společnosti onsemi, který poskytuje integrované a bezkódové CrM řešení kompenzace účiníku typu totem-pole. Řadič v pouzdru SOIC-16 pro povrchovou montáž splňuje kvalifikaci pro automobilové aplikace AEC-Q100 a nabízí nízkoztrátové, levné, odporové snímání proudu a je osazen omezovačem proudu po cyklech bez potřeby Hallovy sondy (obrázek 3). Interně kompenzovaná digitální regulační smyčka napětí optimalizuje výkon v celém rozsahu zátěže a zjednodušuje návrh kompenzace účiníku.

Obrázek 3: CrM řadič NCP1680 využívá levné a účinné odporové snímání proudu (ZCD v pravém dolním rohu schématu). (Zdroj obrázku: onsemi)

Vysokorychlostní hradový budič

Řadič NCP1680 lze spárovat s 15pinovým hradovým budičem NCP51820 v pouzdru QFN o rozměrech 4 x 4 mm od společnosti onsemi. Je navržen pro použití s hradlovými GIT tranzistory GaN s vysokou pohyblivostí elektronů (HEMT) a výkonovými spínači GaN v režimu obohacování (e-mode) v polomůstkových topologiích (obrázek 4).

Obrázek 4: Řadiče NCP1680 (vlevo) lze spárovat s vysokorychlostním hradlovým budičem NCP51820 (vpravo) pro ovládání výkonových součástí GaN v obvodech kompenzace účiníku typu totem pole. (Zdroj obrázku: onsemi)

Například budič NCP51820AMNTWG nabízí krátké a přizpůsobené zpoždění šíření, jakož i souhlasné napětí pro high-side budič v rozsahu -3,5 V až +650 V (typická hodnota). Stupně budiče mají vyhrazené regulátory napětí, které chrání hradla prvků GaN před napěťovým namáháním. Hradové budiče NCP51820 obsahují nezávislé podpěťové blokování (UVLO) a tepelnou vypínací ochranu.

Pro urychlení uvedení na trh mohou konstruktéři použít vyhodnocovací desku NCP51820GAN1GEVB (EVB). Tato vyhodnocovací deska pomáhá konstruktérům zjistit výkon budičů NCP51820 pro efektivní řízení dvou výkonových spínačů GaN v konfiguraci totemového pólu. Vyhodnocovací deska NCP51820GAN1GEVB je navržena s použitím čtyřvrstvé desky tištěných spojů o rozměrech 1310 tisícin palce (mil) x 1180 mil. Tato deska obsahuje budič NCP51820 GaN a dva výkonové spínače GaN v režimu obohacování v polomůstkové konfiguraci (obrázek 5).

Obrázek 5: Vyhodnocovací deska NCP51820GAN1GEVB EVB obsahuje budič NCP51820 a dva spínače GaN v režimu obohacování v polomůstkové konfiguraci. (Zdroj obrázku: onsemi)

Konstrukční doporučení

Existuje několik jednoduchých návrhů, kterými se mohou konstruktéři řídit, aby dosáhli nejlepšího výkonu při použití těchto integrovaných obvodů. Aby se například zabránilo pronikání šumu do signálové cesty a náhodnému spuštění hradového budiče NCP51820, společnost onsemi doporučuje, aby byly řídicí signály (PWMH a PWML) z obvodu NCP1680 filtrovány přímo na vstupu IO hradového budiče. Odpovídající filtraci lze zajistit pomocí odporu 1 kΩ a kondenzátoru 47 nebo 100 pF umístěného přímo na pinu budiče (obrázek 6).

Obrázek 6: Filtrace řídicích signálů PWMH a PWML z obvodu NCP1680 přímo na vstupu IO hradového budiče NCP51820 může zabránit rušivým efektům, například náhodnému sepnutí budiče NCP51820. Filtrace se zde provádí pomocí odporů 1 kΩ (vlevo uprostřed) a kondenzátorů 47 pF (vpravo uprostřed). (Zdroj obrázku: onsemi)

Režim přeskočení/pohotovostní režim řadiče NCP1680 umožňuje dosažení velmi dobré výkonnosti naprázdno a při nízké zátěži za předpokladu, že je spouštěn externě pomocí impulzů na pinu PFCOK nebo uzemněním pinu SKIP a propojením s řadičem rezonančního režimu NCP13992 (obrázek 7). Hodnoty součástí pro obvody rozhraní by měly být podobné těm, které se nacházejí na vyhodnocovací desce NCP1680 EVB. Za normálního provozu je napětí na pinu PFCMODE řadiče rezonančního režimu NCP13992 rovné předpětí VCC řadiče. Pokud převodník vstoupí do režimu přeskočení, řadič odesílá impulzy na zem. Pro vstup do režimu přeskočení musí být napětí na pinu PFCOK nižší než 400 mV po dobu delší než 50 μs.

Obrázek 7: Příklad externího spouštěcího obvodu potřebného k vyvolání režimu přeskočení/pohotovostního režimu v obvodu NCP1680. (Zdroj obrázku: onsemi)

Závěr

Současné splnění požadavků na účinnost, elektromagnetickou kompatibilitu a kompenzaci účiníku podle nejnovějších standardů EnergyStar, například 80 PLUS Titanium, může být při použití typické topologie kompenzace se zvyšovacím převodníkem velmi náročné. Konstruktéři mohou namísto toho využívat topologii kompenzace účiníku s totemovým pólem. Jak bylo ukázáno, použití řadiče smíšených signálů NCP1680 společně s podpůrnými součástkami od společnosti onsemi, jakými jsou hradový budič NCP51820, vyhodnocovací deska a některé osvědčené konstrukční postupy, umožňuje konstruktérům rychle implementovat CrM řešení kompenzace účiníku s totemovým pólem při splnění požadovaných norem.

Doporučeno k přečtení

1. Jak učinit energetickou infrastrukturu efektivnější a spolehlivější a zároveň snížit náklady
2. Využití tranzistorů MOSFET na bázi karbidu křemíku ke zlepšení účinnosti přeměny energie