Wann und wie die brückenlose Totem-Pol-Leistungsfaktorkorrektur eingesetzt werden sollte

Ein hoher Leistungsfaktor (PF) und ein hoher Wirkungsgrad sind wichtige Anforderungen für AC/DC-Netzteile, die in Servern, Netzwerken, 5G-Telekommunikation, Industriesystemen, Elektrofahrzeugen und einer Reihe anderer Anwendungen eingesetzt werden. Die Herausforderung für die Entwickler von Stromversorgungen besteht jedoch darin, gleichzeitig die Anforderungen an den Wirkungsgrad und die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zu erfüllen, die in Normen wie IEC 61000-3-2 sowie in der neuesten Effizienznorm 80 PLUS Titanium von EnergyStar festgelegt sind. Letztere fordert einen Wirkungsgrad von mindestens 90 % bei 10 % Last und 94 % bei Volllast. Eine herkömmliche Boost-PF-Korrekturtopologie (PFC) kann einen hohen PF und eine gute EMV liefern, enthält aber eine relativ ineffiziente Diodenbrücke, was es schwierig macht, die erwarteten Effizienzstandards zu erfüllen.

Das Ersetzen der Diodenbrücke durch eine brückenlose Totem-Pol-PFC-Topologie liefert sowohl einen hohen PF als auch einen hohen Wirkungsgrad. Dies führt jedoch zu einer höheren Komplexität, da die Topologie zwei Regelkreise umfasst: einen langsamen Regelkreis, der mit der Netzfrequenz für die Gleichrichtung arbeitet, und einen Hochfrequenzregelkreis für den Boost-Teil. Zwei Regelkreise von Grund auf neu zu entwickeln, ist ein zeitaufwändiger Prozess, der die Markteinführung verzögern und zu einer Lösung führen kann, die teurer und größer ist als nötig.

Um diese Herausforderungen zu meistern, können Entwickler stattdessen auf PFC-Controller-ICs zurückgreifen, die für den Einsatz in brückenlosen Totem-Pol-PFC-Designs optimiert sind. Diese Controller verfügen über intern kompensierte digitale Schleifen, können eine zyklusweise Strombegrenzung implementieren, ohne dass ein Hall-Effekt-Sensor erforderlich ist, und können mit Silizium-MOSFETs oder Schaltgeräten mit großer Bandlücke (WBG) wie Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) verwendet werden. Die daraus resultierende PFC kann mit Eingangsspannungen von 90 bis 265 Volt AC und mit Wirkungsgraden von bis zu 99 % arbeiten.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über die Industriestandards, die AC/DC-Netzteile erfüllen müssen, vergleicht die Leistung verschiedener PFC-Topologien und zeigt auf, wann eine brückenlose Totem-Pol-PFC die beste Wahl ist. Anschließend wird ein Controller-IC von onsemi vorgestellt, der für den Einsatz in brückenlosen Totem-Pol-PFCs optimiert ist, zusammen mit unterstützenden Komponenten, einem Evaluierungsboard und Designvorschlägen zur Beschleunigung des Entwicklungsprozesses.

Effizienz kann kompliziert sein

Die Effizienz von Stromversorgungen ist komplizierter, als es auf den ersten Blick scheint, da sie sowohl Wechsel- als auch Gleichstromkomponenten umfasst. Der einfache Wirkungsgrad ist das Verhältnis zwischen der Eingangsleistung und der Ausgangsleistung. Die Eingangsleistung einer typischen AC/DC-Stromversorgung ist jedoch nicht rein sinusförmig, was zu einer Differenz zwischen der phasengleichen und der phasenverschobenen Leistung führt, die dem Wechselstromnetz entnommen wird. Dieser Unterschied wird als PF bezeichnet. Für eine vollständige Beschreibung des Wirkungsgrads einer AC/DC-Stromversorgung müssen sowohl der DC-Wirkungsgrad als auch der PF berücksichtigt werden. Erschwerend kommt hinzu, dass die Wirkungsgradkurven nicht flach sind: Wirkungsgrad und PF können mit Parametern wie der Eingangsspannung und der Ausgangslast variieren.

Um diesen Variablen Rechnung zu tragen, definieren Effizienzstandards wie der EnergyStar die Effizienz bei verschiedenen Lastniveaus und Eingangsspannungen sowie eine Anforderung an den PF (Tabelle 1). Die höchste Stufe, "80 PLUS Titanium" genannt, schreibt einen Mindestwirkungsgrad von 90 % bei 115 Volt AC-Eingang sowohl bei 10 % als auch bei 100 % der Nennlast, 94 % Wirkungsgrad bei 50 % der Nennlast sowie einen PF von ≥95 % bei 20 % der Nennlast vor. Bei einer Eingangsspannung von 230 Volt AC sind höhere Wirkungsgrade erforderlich. Außerdem wird erwartet, dass die Stromversorgungen der Norm IEC 61000-3-2 entsprechen, die Grenzwerte für Oberschwingungen auf dem Stromnetz festlegt.

Tabelle 1: Leistungsnormen wie der EnergyStar beinhalten neben der Effizienz auch Anforderungen an die PF. (Quelle der Tabelle: onsemi)

Es gibt zwei gängige PFC-Ansätze: einen Aufwärtswandler, der auf Diodengleichrichtung basiert, und eine komplexere, effizientere Totem-Pol-Topologie, die auf aktiver Gleichrichtung beruht (Abbildung 1). Eine PFC per Aufwärtswandler kann die grundlegenden PF- und Effizienzanforderungen erfüllen, ist aber für strenge Anforderungen wie 80 PLUS Titanium nicht geeignet. Bei einer PFC per Aufwärtswandler kann es beispielsweise zu Verlusten von 2 % in der DC/DC-Stufe und zu Verlusten von 1 % in der Netzgleichrichtung und der PFC-Stufe kommen (diese können bei niedrigem Netzbetrieb auf fast 2 % ansteigen). Mit fast 4 % Verlusten im Niederspannungsbereich ist es eine Herausforderung, die Anforderung von 80 PLUS Titanium von 96 % Wirkungsgrad bei einer Eingangsspannung von 230 Volt AC und 50 % Last zu erfüllen. Bei Anwendungen, die höchste Wirkungsgrade erfordern, können die Verluste in der PFC-Stufe durch den Ersatz der Diodengleichrichter durch eine synchrone Gleichrichtung verringert werden.

Abbildung 1: Zwei gängige PFC-Topologien sind ein einfacher Aufwärtswandler (links) und ein Totem-Pol (rechts). (Bildquelle: onsemi)

Im obigen Totem-Pol-PFC bilden Q3 und Q4 den langsamen Zweig, der die synchrone Gleichrichtung bei Netzfrequenz durchführt, während Q1 und Q2 den schnellen Zweig bilden, der die gleichgerichtete Spannung auf ein höheres Niveau anhebt, z. B. auf 380 Volt Gleichstrom. Es ist zwar möglich, einen Totem-Pol-PFC unter Verwendung von MOSFETs mit niedrigem Durchlasswiderstand (R_ON) für Q1 und Q2 zu implementieren, aber die hochfrequenten Schaltverluste aufgrund der Sperrverzögerung der MOSFETs verringern die Effizienz. Daher werden in vielen Totem-Pol-PFC-Designs die Silizium-MOSFETs Q1 und Q2 durch SiC- oder GaN-Leistungsschalter ersetzt, die nur geringe oder gar keine Sperrverzögerung aufweisen.

Optimierte Regelung

Eine weitere Entscheidung beim Entwurf einer PFC ist die Wahl der Regelungstechnik. PFCs können im Dauerleitungsbetrieb (CCM), im diskontinuierlichen Modus (DCM) oder im kritischen Leitungsmodus (CrM) arbeiten. Diese Modi unterscheiden sich durch die Betriebseigenschaften der Boost-Induktivität (L1 in Abbildung 1). CCM nutzt die Induktivität am besten und hält die Leitungs- und Kernverluste niedrig, aber CCM ist schwer schaltbar und hat höhere dynamische Verluste. DCM kann für den Betrieb mit geringem Stromverbrauch effizient sein, leidet aber unter relativ hohen Spitzen- und Effektivströmen, was zu höheren Leitungs- und Kernverlusten in der Induktivität führt.

CrM kann einen höheren Wirkungsgrad in Designs bis zu einigen hundert Watt bieten. Mit CrM werden Änderungen der Netzspannung und des Laststroms überwacht, und die Schaltfrequenz wird angepasst, um zwischen CCM und DCM zu arbeiten. CrM hat geringe Einschaltverluste und begrenzt den Spitzenstrom auf das Doppelte des Durchschnittsstroms, wodurch die Leitungs- und Kernverluste auf einem vernünftigen Niveau gehalten werden (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der Spitzenstrom der CrM-PFC-Boost-Induktivität (Ipk) ist auf das Doppelte des Eingangsleitungsstroms begrenzt. (Bildquelle: onsemi)

Die Verwendung von CrM ist jedoch mit einigen Herausforderungen verbunden:

• Es handelt sich um eine hart schaltende Topologie, und die Durchlassverzögerung des Aufwärtswandlers führt zu zusätzlichen Verlusten und kann ein Überschwingen der Ausgangsspannung verursachen.
• Bei geringer Last läuft sie mit sehr hohen Frequenzen, was die Schaltverluste erhöht und den Wirkungsgrad verringert.
• Es sind vier aktive Komponenten zu steuern, außerdem muss der Nullstrom in der PFC-Induktivität erkannt und die Ausgangsspannung geregelt werden.

CrM kann mit Schaltkreissensoren zusammen mit einem Mikrocontroller (MCU) implementiert werden, um die komplexen Steuerungsalgorithmen durchzuführen. Die Codierung der Algorithmen zur Berücksichtigung der oben beschriebenen Leistungsprobleme ist risikoreich und zeitaufwändig und kann die Markteinführung verzögern.

Totem-Pol-PFC ohne Code

Um diese Probleme zu lösen, können Entwickler den Mischsignal-Controller NCP1680ABD1R2G von onsemi einsetzen, der eine integrierte und codefreie CrM-Totem-Pol-PFC-Lösung bietet. Der Controller im SOIC-16-Gehäuse ist nach AEC-Q100 für Automobilanwendungen qualifiziert und verfügt über eine verlustarme, kostengünstige, ohmsche Strommessung und implementiert einen zyklusweisen Strombegrenzungsschutz, ohne dass ein Hall-Effekt-Sensor erforderlich ist (Abbildung 3). Der intern kompensierte digitale Spannungsregelkreis optimiert die Leistung über den gesamten Lastbereich und vereinfacht das PFC-Design.

Abbildung 3: Der CrM-Regler NCP1680 verwendet eine kostengünstige und effiziente ohmsche Strommessung (ZCD in der unteren rechten Ecke des Schaltplans). (Bildquelle: onsemi)

Highspeed-Gate-Treiber

Der Regler NCP1680 kann mit dem 4 x 4 Millimeter (mm) großen Highspeed-Gate-Treiber NCP51820 von Onsemi im 15-Pin-QFN-Gehäuse kombiniert werden. Er ist für die Verwendung mit GaN-Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMTs) und GaN-Leistungsschaltern mit Anreicherungsmodus (e-mode) in Halbbrückentopologien vorgesehen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die Regler NCP1680 (links) können mit dem Highspeed-Gate-Treiber NCP51820 (rechts) gepaart werden, um GaN-Leistungsbauelemente in einem Totem-Pol-PFC zu betreiben. (Bildquelle: onsemi)

Der NCP51820AMNTWG zeichnet sich beispielsweise durch kurze und angepasste Laufzeitverzögerungen sowie einen Gleichtaktspannungsbereich für die High-Side-Ansteuerung von -3,5 Volt bis +650 Volt (typisch) aus. Die Treiberstufen sind mit speziellen Spannungsreglern ausgestattet, um die Gates der GaN-Bauelemente vor Spannungsstress zu schützen. Die Gate-Treiber NCP51820 verfügen über eine unabhängige Unterspannungsabschaltung (UVLO) und einen thermischen Abschaltschutz.

Um die Markteinführung zu beschleunigen, können Entwickler das Evaluierungsboard (EVB) NCP51820GAN1GEVB verwenden. Dieses EVB hilft Entwicklern, die Leistung der Treiber NCP51820 zur effizienten Ansteuerung von zwei GaN-Leistungsschaltern in einer Totem-Pol-Konfiguration zu untersuchen. Das NCP51820GAN1GEVB wurde auf einer vierlagigen, 1310 Tausendstel Zoll (mil) x 1180 mil großen Leiterplatte (PC) entwickelt. Es umfasst den GaN-Treiber NCP51820 und zwei e-mode-GaN-Leistungsschalter in einer Halbbrückenkonfiguration (Abbildung 5).

Abbildung 5: Das Evaluierungsboard NCP51820GAN1GEVB enthält einen NCP51820-Treiber und zwei E-Mode-GaN-Schalter in einer Halbbrücken-Konfiguration. (Bildquelle: onsemi)

Designvorschläge

Es gibt einige einfache Designvorschläge, die Entwickler befolgen können, um die beste Performance bei der Verwendung dieser ICs zu erzielen. Um beispielsweise zu verhindern, dass Rauschen in den Signalpfad eingekoppelt wird und versehentlich den Gate-Treiber NCP51820 auslöst, empfiehlt onsemi, die Steuersignale (PWMH und PWML) vom NCP1680 direkt am Eingang des Gate-Treiber-ICs zu filtern. Ein 1 Kiloohm (kΩ) Widerstand und ein 47 oder 100 Picofarad (pF) Kondensator, der direkt am Pin des Treibers platziert wird, können eine ausreichende Filterung gewährleisten (Abbildung 6).

Abbildung 6: Durch die Filterung der PWMH- und PWML-Steuersignale des NCP1680 direkt am Eingang des Gate-Treiber-ICs NCP51820 können Rauscheffekte, wie z. B. das versehentliche Auslösen des NCP51820, verhindert werden. Die Filterung wird hier mit 1kΩ-Widerständen (Mitte links) und 47pF-Kondensatoren (Mitte rechts) durchgeführt. (Bildquelle: onsemi)

Der Skip-/Standby-Modus des NCP1680 ermöglicht ein sehr gutes Leerlauf- und Leichtlastverhalten, muss jedoch extern ausgelöst werden, indem der PFCOK-Pin gepulst oder der SKIP-Pin geerdet und mit dem Resonanzmodusregler NCP13992 verbunden wird (Abbildung 7). Die Komponentenwerte für die Schnittstellenschaltung sollten denen für das EVB NCP1680 entsprechen. Im Normalbetrieb entspricht der PFCMODE-Pin des NCP13992 Resonanzmodusreglers der VCC-Vorspannung des Reglers. Er pulsiert gegen Masse, wenn der Wandler in den Skip-Modus übergeht. Um in den Skip-Modus zu gelangen, muss der PFCOK-Pin für mehr als 50 Mikrosekunden (μs) unter 400 Millivolt (mV) liegen.

Abbildung 7: Beispiel für die externe Triggerschaltung, die benötigt wird, um den Skip/Standby-Modus im NCP1680 aufzurufen. (Bildquelle: onsemi)

Fazit

Die gleichzeitige Erfüllung der Effizienz-, EMV- und PF-Anforderungen der neuesten EnergyStar-Standards, wie z. B. 80 PLUS Titanium, kann mit einer typischen PFC-Topologie für Aufwärtswandler eine Herausforderung darstellen. Entwickler können stattdessen eine Totem-Pol-PFC-Topologie verwenden. Wie gezeigt, ermöglicht der Einsatz des Mischsignalreglers NCP1680 zusammen mit unterstützenden Komponenten von onsemi - wie dem Gate-Treiber NCP51820, einem Evaluierungsboard sowie einigen bewährte Designmethoden - Entwicklern die schnelle Implementierung einer CrM-Totem-Pol-PFC-Lösung unter Einhaltung der erforderlichen Standards.

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