Warunki i sposób stosowania korekcji współczynnika mocy w bezmostkowej topologii totem pole

Zoptymalizowane sterowanie

Kolejna decyzja podczas projektowania układu korekcji współczynnika mocy (PFC) polega na wyborze techniki sterowania. Układy PFC mogą działać w trybach przewodzenia ciągłego (CCM), nieciągłego (DCM) lub krytycznego (CrM). Tryby te różnią się charakterystyką roboczą podwyższającej cewki indukcyjnej (L1 na ilustracji 1). Tryb przewodzenia ciągłego (CCM) najlepiej wykorzystuje cewkę indukcyjną i zapewnia najniższe straty przewodzenia i straty w rdzeniu, jednakże przełączanie twarde skutkuje wyższymi stratami dynamicznymi. Tryb przewodzenia nieciągłego (DCM) może zapewniać sprawność przy niskiej mocy, jednak gorzej sprawuje się przy stosunkowo wysokich prądach szczytowych i skutecznych (RMS), co skutkuje wyższymi stratami przewodzenia i stratami w rdzeniu cewki indukcyjnej.

Tryb przewodzenia krytycznego (CrM) pozwala uzyskać wyższe sprawności w projektach o mocy do kilkuset watów. W trybie CrM monitorowane są zmiany napięcia linii oraz prądu obciążenia, a częstotliwość przełączania jest regulowana tak, by zapewnić pracę w trybach CCM i DCM. Tryb przewodzenia krytycznego (CrM) charakteryzuje się niskimi stratami włączania i ogranicza prąd szczytowy do dwukrotności prądu średniego, utrzymując straty przewodzenia i straty w rdzeniu na rozsądnym poziomie (ilustracja 2).

Ilustracja 2: Prąd szczytowy podwyższającej cewki indukcyjnej (Ipk) w układzie korekcji współczynnika mocy (PFC) działającym w trybie przewodzenia krytycznego (CrM) jest ograniczony do dwukrotności prądu linii wejściowej. (Źródło ilustracji: onsemi)

Użycie trybu CrM wiąże się jednak z pewnymi wyzwaniami:

• Topologia twardego przełączania oraz regeneracja w kierunku przewodzenia urządzenia podwyższającego wprowadza dodatkowe straty i może powodować przeregulowanie napięcia wyjściowego.
• Przy niewielkich obciążeniach mamy do czynienia z bardzo wysokimi częstotliwościami, co zwiększa straty przełączania i obniża sprawność.
• Występują cztery urządzenia aktywne wymagające sterowania, a także potrzeba wykrywania zerowego prądu w cewce indukcyjnej korekcji współczynnika mocy (PFC), a także regulacji napięcia wyjściowego.

Tryb przewodzenia krytycznego (CrM) można wdrożyć przy użyciu czujników w obwodzie oraz mikrokontrolera (MCU) realizujące złożone algorytmy sterowania. Kodowanie algorytmów uwzględniających opisane wcześniej wyzwania związane z działaniem jest ryzykowne i czasochłonne, co może wydłużyć czas wprowadzenia produktu na rynek.

Topologie totem pole bez kodowania

Aby rozwiązać te trudności, projektanci mogą skorzystać z kontrolera sygnałów mieszanych NCP1680ABD1R2G firmy onsemi, który stanowi zintegrowane, nie wymagające kodowania rozwiązanie korekcji współczynnika mocy (PFC) typu totem pole działające w trybie przewodzenia krytycznego (CrM). Kontroler posiada obudowę SOIC-16 i kwalifikację AEC-Q100 do zastosowań w motoryzacji, charakteryzuje się niskimi stratami, niskim kosztem, rezystancyjnym pomiarem prądu i wykorzystuje zabezpieczenie ograniczania prądu w każdym cyklu bez konieczności użycia czujnika hallotronowego (ilustracja 3). Cyfrowa pętla sterowania napięciem z kompensacją wewnętrzną optymalizuje parametry działania w całym zakresie obciążeń i upraszcza konstrukcję układu korekcji współczynnika mocy (PFC).

Ilustracja 3: Kontroler CrM NCP1680 wykorzystuje tani i skuteczny rezystancyjny pomiar prądu (ZCD w prawym dolnym rogu schematu). (Źródło ilustracji: onsemi)