จะใช้การแก้ไข Bridgeless Totem-Pole Power Factor เมื่อใดและอย่างไร

High power factor (PF) และประสิทธิภาพสูงเป็นข้อกำหนดหลักสำหรับแหล่งจ่ายไฟ AC-DC ที่ใช้ในเซิร์ฟเวอร์ เครือข่าย โทรคมนาคม 5G ระบบอุตสาหกรรม ยานยนต์ไฟฟ้า และการใช้งานอื่น ๆ อย่างไรก็ตาม ความท้าทายสำหรับนักออกแบบพาวเวอร์ซัพพลายคือการปฏิบัติตามข้อกำหนด PF และความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) ของมาตรฐานพร้อมกัน เช่น IEC 61000-3-2 รวมถึงมาตรฐานประสิทธิภาพ 80 PLUS Titanium ล่าสุดจาก EnergyStar อย่างหลังต้องการประสิทธิภาพขั้นต่ำ 90% ที่โหลด 10% และประสิทธิภาพ 94% ที่โหลดเต็ม โทโพโลยี Boost PF Correction (PFC) แบบธรรมดาสามารถให้ PF สูงและ EMC ที่ดี แต่รวมถึงไดโอดบริดจ์ที่ค่อนข้างไม่มีประสิทธิภาพ ซึ่งทำให้ยากต่อการปฏิบัติตามมาตรฐานประสิทธิภาพที่คาดหวัง

การเปลี่ยนไดโอดบริดจ์ด้วยโทโพโลยี PFC totem-pole แบบไม่มีบริดจ์ให้ทั้ง PF สูงและประสิทธิภาพสูง อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ทำให้เกิดความซับซ้อนมากขึ้น เนื่องจากโทโพโลยีประกอบด้วยลูปควบคุมสองลูป: ลูปช้าที่ทำงานที่ความถี่บรรทัดสำหรับการแก้ไข และลูปความถี่สูงสำหรับส่วนบูสต์ การออกแบบลูปควบคุมสองลูปตั้งแต่ต้นเป็นกระบวนการที่ต้องใช้เวลามาก ซึ่งอาจส่งผลให้เวลาออกสู่ตลาดล่าช้า และส่งผลให้โซลูชันมีค่าใช้จ่ายสูงและมีขนาดใหญ่เกินความจำเป็น

เพื่อตอบสนองความท้าทายเหล่านี้ นักออกแบบสามารถเปลี่ยนไปใช้ตัวควบคุม PFC IC ที่ปรับให้เหมาะสมสำหรับใช้ในการออกแบบ bridgeless totem-pole PFC ตัวควบคุมเหล่านี้มีการชดเชยลูปดิจิตอลภายใน สามารถใช้ขีดจำกัดกระแสแบบวงจรต่อรอบโดยไม่ต้องใช้เซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ฮอลล์ และสามารถใช้กับซิลิคอน MOSFET หรืออุปกรณ์สวิตชิ่งวงกว้าง (WBG) เช่น ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) หรือแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) PFC ที่เป็นผลลัพธ์สามารถทำงานได้กับอินพุตตั้งแต่ 90 ถึง 265 โวลต์ AC และประสิทธิภาพสูงถึง 99%

บทความนี้จะทบทวนโดยสังเขปเกี่ยวกับมาตรฐานอุตสาหกรรมที่อุปกรณ์จ่ายไฟ AC-DC จำเป็นต้องปฏิบัติตาม เปรียบเทียบประสิทธิภาพของโทโพโลยี PFC ต่าง ๆ และระบุว่าเมื่อใดที่ bridgeless totem-pole PFC เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุด จากนั้นจะแสดงตัวควบคุม IC จาก onsemi ปรับให้เหมาะสมสำหรับใช้ใน bridgeless totem-pole PFC ร่วมกับส่วนประกอบอื่น ๆ ที่ใช้สนับสนุน บอร์ดประเมินผล และคำแนะนำการออกแบบเพื่อเร่งกระบวนการพัฒนา

ประสิทธิภาพอาจซับซ้อน

ประสิทธิภาพของการจ่ายไฟนั้นซับซ้อนกว่าที่ปรากฏในตอนแรก เนื่องจากมีทั้งส่วนประกอบ AC และ DC ประสิทธิภาพอย่างง่ายคืออัตราส่วนของกำลังไฟฟ้าเข้าต่อกำลังขับ อย่างไรก็ตาม กำลังไฟฟ้าเข้าสำหรับแหล่งจ่ายไฟ AC-DC ทั่วไปไม่ใช่แบบไซน์ ส่งผลให้เกิดความแตกต่างระหว่างกำลังไฟฟ้าในเฟสและนอกเฟสที่ดึงมาจากไฟ ac ความแตกต่างนั้นได้รับการยอมรับว่าเป็น PF สำหรับคำอธิบายที่สมบูรณ์เกี่ยวกับประสิทธิภาพของแหล่งจ่ายไฟ AC-DC จะต้องรวมทั้งประสิทธิภาพของ DC และ PF เพื่อให้มีความท้าทายมากขึ้น กราฟแสดงประสิทธิภาพจะไม่แบนราบ: ประสิทธิภาพและ PF อาจแตกต่างกันไปตามพารามิเตอร์ เช่น แรงดันไฟฟ้าขาเข้าและโหลดเอาต์พุต

เพื่อพิจารณาตัวแปรเหล่านี้ มาตรฐานประสิทธิภาพ เช่น EnergyStar กำหนดประสิทธิภาพที่ระดับโหลดต่าง ๆ และที่แรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่แตกต่างกัน พร้อมกับข้อกำหนดสำหรับ PF (ตารางที่ 1) ระดับสูงสุดเรียกว่า “80 PLUS Titanium” ระบุประสิทธิภาพขั้นต่ำสำหรับอินพุต AC 115 โวลต์ 90% ที่ทั้ง 10% และ 100% ของโหลดที่กำหนด ประสิทธิภาพ 94% ที่ 50% ของโหลดที่กำหนด บวก PF ≥95 % ที่ 20% ของโหลดที่กำหนด ต้องการประสิทธิภาพที่สูงขึ้นสำหรับอินพุต AC 230 โวลต์ นอกจากนี้ คาดว่าอุปกรณ์จ่ายไฟจะเป็นไปตาม IEC 61000-3-2 ซึ่งจำกัดฮาร์โมนิกของสายไฟ

ตารางที่ 1: มาตรฐานประสิทธิภาพ เช่น EnergyStar รวมถึงข้อกำหนดสำหรับ PF เช่นเดียวกับประสิทธิภาพ (ที่มาของตาราง: onsemi)

มีสองแนวทางทั่วไปสำหรับ PFC: บูสต์คอนเวอร์เตอร์ตามการแก้ไขไดโอด และโทโพโลยีเสาโทเท็มที่ซับซ้อนและมีประสิทธิภาพมากขึ้นตามการแก้ไขแบบแอคทีฟ (รูปที่ 1) ตัวแปลงบูสต์ PFC สามารถตอบสนอง PF พื้นฐานและข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพได้ แต่ไม่เพียงพอสำหรับข้อกำหนดที่เข้มงวด เช่น 80 PLUS Titanium ตัวอย่างเช่น ในการเพิ่ม PFC อาจมีการสูญเสีย 2% ในระยะ DC-DC และการสูญเสีย 1% ในการแก้ไขสายและระยะ PFC (สิ่งนี้สามารถเพิ่มขึ้นเป็นเกือบ 2% ที่การทำงานของสายต่ำ) ด้วยการสูญเสียเกือบ 4% ที่ระดับต่ำ เป็นเรื่องยากที่จะตอบสนองความต้องการ 80 PLUS Titanium ที่มีประสิทธิภาพ 96% ด้วยอินพุต 230 โวลต์ AC และการโหลด 50% ในการใช้งานที่ต้องการระดับประสิทธิภาพสูงสุด ความสูญเสียในระยะ PFC สามารถลดลงได้โดยการแทนที่วงจรเรียงกระแสแบบไดโอดด้วยการแก้ไขแบบซิงโครนัส

รูปที่ 1: โทโพโลยี PFC ทั่วไปสองแบบ ได้แก่ ตัวแปลงบูสต์พื้นฐาน (ซ้าย) และ totem pole (ขวา) (ที่มาของภาพ: onsemi)

ใน PFC เสาโทเท็มด้านบน Q3 และ Q4 เป็นขาที่ช้าซึ่งใช้การแก้ไขแบบซิงโครนัสที่ความถี่ของสาย ขณะที่ Q1 และ Q2 จะสร้างขาเร็วที่เพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่แก้ไขให้อยู่ในระดับที่สูงขึ้น เช่น DC 380 โวลต์ ในขณะที่เป็นไปได้ที่จะใช้เสาโทเท็มโดยใช้ความต้านทานต่ำ (R_ON ) MOSFET สำหรับ Q1 และ Q2 การสูญเสียการสลับความถี่สูงอันเนื่องมาจากการกู้คืนย้อนกลับของ MOSFET จะลดประสิทธิภาพลง ด้วยเหตุนี้ ในการออกแบบ PFC แบบขั้วโทเท็มจำนวนมาก MOSFET แบบซิลิกอน Q1 และ Q2 จะถูกแทนที่ด้วยสวิตช์ไฟ SiC หรือ GaN ที่มีการสูญเสียการกู้คืนย้อนกลับเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย

การควบคุมที่เหมาะสมที่สุด

การตัดสินใจอีกประการหนึ่งเมื่อออกแบบ PFC คือการเลือกเทคนิคการควบคุม PFC สามารถทำงานในโหมดการนำไฟฟ้าแบบต่อเนื่อง (CCM), แบบไม่ต่อเนื่อง (DCM) หรือโหมดการนำวิกฤต (CrM) โหมดเหล่านี้แตกต่างกันไปตามลักษณะการทำงานของตัวเหนี่ยวนำบูสต์ (L1 ในรูปที่ 1) CCM ใช้ตัวเหนี่ยวนำให้เกิดประโยชน์สูงสุด และรักษาค่าการนำไฟฟ้าและการสูญเสียแกนกลางให้ต่ำ แต่ CCM เป็นการฮาร์ดสวิตชิ่งและมีการสูญเสียไดนามิกสูงกว่า DCM มีประสิทธิภาพสำหรับการทำงานที่ใช้พลังงานต่ำ แต่ได้รับผลกระทบจากกระแสพีคและ rms ที่ค่อนข้างสูง ส่งผลให้มีการนำไฟฟ้าและการสูญเสียแกนในตัวเหนี่ยวนำสูงขึ้น

CrM สามารถให้ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นในการออกแบบได้ถึงสองสามร้อยวัตต์ ด้วย CrM การเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าในสายและกระแสโหลดจะถูกตรวจสอบ และความถี่ในการสลับจะถูกปรับให้ทำงานระหว่าง CCM และ DCM CrM มีการสูญเสียจากการเปิดเครื่องต่ำ และจำกัดกระแสสูงสุดเป็นสองเท่าของกระแสเฉลี่ย โดยคงค่าการนำไฟฟ้าและความสูญเสียหลักไว้ที่ระดับที่เหมาะสม (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: กระแสไฟสูงสุดของตัวเหนี่ยวนำ CrM PFC (Ipk) ถูกจำกัดให้เป็นสองเท่าของกระแสอินพุต (ที่มาของภาพ: onsemi)

อย่างไรก็ตาม มีความท้าทายบางอย่างที่เกี่ยวข้องกับการใช้ CrM นั่นคือ

• เป็นโทโพโลยีแบบสลับยาก และการกู้คืนไปข้างหน้าของอุปกรณ์เพิ่มกำลังเพิ่มความสูญเสียและอาจทำให้แรงดันไฟขาออกเกินพิกัด
• ที่โหลดน้อย มันจะทำงานที่ความถี่สูงมาก เพิ่มการสูญเสียจากสวิตชิ่ง และลดประสิทธิภาพลง
• มีอุปกรณ์ที่ใช้งานอยู่สี่ตัวเพื่อควบคุม บวกกับความจำเป็นในการตรวจจับกระแสไฟเป็นศูนย์ในตัวเหนี่ยวนำ PFC และควบคุมแรงดันไฟขาออก

CrM สามารถใช้งานได้โดยใช้เซ็นเซอร์ในวงจรร่วมกับไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) เพื่อดำเนินการอัลกอริธึมการควบคุมที่ซับซ้อน การเข้ารหัสอัลกอริทึมเพื่อพิจารณาความท้าทายด้านประสิทธิภาพที่แสดงไว้ข้างต้นนั้นมีความเสี่ยงและใช้เวลานาน ซึ่งอาจทำให้เวลาในการออกสู่ตลาดล่าช้า

totem pole แบบไม่มีรหัส

เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ นักออกแบบสามารถหันไปใช้ NCP1680ABD1R2G ตัวควบคุมสัญญาณผสมจาก onsemi ที่ให้โซลูชัน PFC totem-pole CrM แบบรวมและไม่มีรหัส ตัวควบคุมที่บรรจุในแพ็คเกจ SOIC-16 เป็น AEC-Q100 ที่ผ่านการรับรองสำหรับการใช้งานในยานยนต์ และมีคุณสมบัติการตรวจจับกระแสไฟต้านทานแบบสูญเสีย ต้นทุนต่ำ และใช้การป้องกันกระแสไฟแบบวงจรต่อรอบโดยไม่ต้องใช้เซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ฮอลล์ (รูปที่ 3) วงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบดิจิตอลที่ได้รับการชดเชยภายในช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานตลอดช่วงโหลดทั้งหมด ทำให้การออกแบบ PFC ง่ายขึ้น

รูปที่ 3: ตัวควบคุม NCP1680 CrM ใช้การตรวจจับกระแสไฟต้านทานที่มีต้นทุนต่ำและมีประสิทธิภาพ (ZCD ที่มุมขวาล่างของแผนผัง) (ที่มาของภาพ: onsemi)

ตัวขับประตูความเร็วสูง

คอนโทรลเลอร์ NCP1680 สามารถจับคู่กับ QFN 15 พินขนาด 4 x 4 มม. (มม.) ของ onsemi NCP51820 ตัวขับเกตความเร็วสูง ซึ่งได้รับการออกแบบมาสำหรับใช้กับเกทฉีดทรานซิสเตอร์ (GIT) GaN ทรานซิสเตอร์เคลื่อนที่สูง (HEMTs) GaN และโหมดเพิ่มประสิทธิภาพ (โหมดอี) สวิตช์ไฟ GaN ในโทโพโลยีแบบฮาล์ฟบริดจ์ (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: ตัวควบคุม NCP1680 (ซ้าย) สามารถจับคู่กับไดรเวอร์เกทความเร็วสูง NCP51820 (ขวา) เพื่อขับเคลื่อนอุปกรณ์ไฟฟ้า GaN ใน totem-pole PFC (ที่มาของภาพ: onsemi)

ตัวอย่างเช่น NCP51820AMNTWG มีความล่าช้าในการแพร่กระจายที่สั้นและตรงกัน เช่นเดียวกับช่วงแรงดันไฟฟ้าโหมดทั่วไปสำหรับไดรฟ์ด้านสูงตั้งแต่ -3.5 โวลต์ถึง +650 โวลต์ (ทั่วไป) ขั้นตอนของไดรเวอร์มีตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเพื่อป้องกันประตูของอุปกรณ์ GaN จากความเครียดจากแรงดันไฟฟ้า ไดรเวอร์เกท NCP51820 ประกอบไปด้วยระบบล็อคแรงดันไฟตกอิสระ (UVLO) และการป้องกันการปิดระบบด้วยความร้อน

เพื่อเร่งเวลาในการออกสู่ตลาด นักออกแบบสามารถใช้บอร์ดประเมินผล (EVB) รุ่น NCP51820GAN1GEVB ได้ EVB นี้ช่วยให้นักออกแบบสำรวจประสิทธิภาพของไดรเวอร์ NCP51820 เพื่อขับเคลื่อนสวิตช์ไฟ GaN สองตัวในการกำหนดค่า totem-pole ได้อย่างมีประสิทธิภาพ NCP51820GAN1GEVB ได้รับการออกแบบโดยใช้แผงวงจรพิมพ์ (PC) สี่ชั้น 1310 ในพันนิ้ว (mil) x 1180 mil ประกอบด้วยไดรเวอร์ NCP51820 GaN และสวิตช์ไฟ GaN แบบ e-mode สองตัวในการกำหนดค่าฮาล์ฟบริดจ์ (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: NCP51820GAN1GEVB EVB ประกอบด้วยไดรเวอร์ NCP51820 และสวิตช์ GaN ของโหมด E สองตัวในการกำหนดค่าฮาล์ฟบริดจ์ (ที่มาของภาพ: onsemi)

คำแนะนำการออกแบบ

มีคำแนะนำการออกแบบง่าย ๆ ที่นักออกแบบสามารถปฏิบัติตามเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่ดีที่สุดเมื่อใช้ไอซีเหล่านี้ ตัวอย่างเช่น เพื่อป้องกันการเชื่อมต่อสัญญาณรบกวนในเส้นทางสัญญาณและกระตุ้นไดรเวอร์เกต NCP51820 โดยไม่ได้ตั้งใจ Onsemi ขอแนะนำให้กรองสัญญาณควบคุม (PWMH และ PWML) จาก NCP1680 โดยตรงที่อินพุตของ IC ไดรเวอร์เกต ตัวต้านทาน 1 กิโลโอห์ม (kΩ) และตัวเก็บประจุ 47 หรือ 100 picofarad (pF) ที่วางโดยตรงที่ขาของตัวขับสามารถให้การกรองที่เพียงพอ (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: การกรองสัญญาณควบคุม PWMH และ PWML จากด้านขวาของ NCP1680 ที่อินพุตของ IC ไดรเวอร์เกต NCP51820 สามารถป้องกันผลกระทบทางเสียงได้ เช่น การทริกเกอร์โดยไม่ได้ตั้งใจของ NCP51820 การกรองทำได้โดยใช้ตัวต้านทาน 1 kΩ (กลางซ้าย) และตัวเก็บประจุ 47 pF (กลางขวา) (ที่มาของภาพ: onsemi)

โหมดข้าม/สแตนด์บายของ NCP1680 ช่วยให้ไม่มีโหลดและประสิทธิภาพการโหลดแบบเบาได้ดีมาก แต่จะต้องทริกเกอร์จากภายนอกโดยการกระตุ้นพิน PFCOK หรือต่อกราวด์พิน SKIP และเชื่อมต่อกับ NCP13992 ตัวควบคุมโหมดเรโซแนนซ์ (รูปที่ 7) ค่าส่วนประกอบสำหรับวงจรอินเทอร์เฟซควรเหมือนกับที่พบใน NCP1680 EVB ภายใต้การทำงานปกติ พิน PFCMODE บนตัวควบคุมโหมดเรโซแนนซ์ NCP13992 จะเหมือนกับแรงดันไบอัส VCC ของคอนโทรลเลอร์ มันจะเต้นเป็นจังหวะลงกราวด์เมื่อตัวแปลงเข้าสู่โหมดข้าม ในการเข้าสู่โหมดข้าม พิน PFCOK ต้องต่ำกว่า 400 มิลลิโวลต์ (mV) นานกว่า 50 ไมโครวินาที (μs)

รูปที่ 7: ตัวอย่างวงจรทริกเกอร์ภายนอกที่จำเป็นในการเรียกใช้โหมดข้าม/สแตนด์บายใน NCP1680 (ที่มาของภาพ: onsemi)

สรุป

การปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ EMC และ PF ของมาตรฐาน EnergyStar ล่าสุด เช่น 80 PLUS Titanium พร้อมกันนั้นอาจเป็นเรื่องที่ท้าทายหากใช้โทโพโลยี PFC ตัวแปลงบูสต์ทั่วไป นักออกแบบสามารถเปลี่ยนไปใช้โทโพโลยี PFC แบบ totem pole แทนได้ ดังที่แสดงไว้ การใช้ตัวควบคุมสัญญาณผสม NCP1680 ร่วมกับส่วนประกอบสนับสนุนจาก onsemi เช่น ไดรเวอร์เกต NCP51820 บอร์ดประเมินผล และแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในการออกแบบบางอย่าง ช่วยให้นักออกแบบใช้โซลูชัน CrM totem-pole PFC ได้อย่างรวดเร็วในขณะที่ ได้มาตรฐานตามที่กำหนด

บทความแนะนำ

1. วิธีทำให้โครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงานมีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้มากขึ้น อีกทั้งยังช่วยลดต้นทุน
2. ใช้ MOSFET แบบ SiC เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน