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

Wysoki współczynnik mocy (PF) i wysoka sprawność są kluczowymi wymogami stawianymi zasilaczom prądu zmiennego-stałego wykorzystywanym w serwerach, sieciach, telekomunikacji 5G, systemach przemysłowych, pojazdach elektrycznych i wielu innych zastosowaniach. Jednakże wyzwanie stojące przed projektantami zasilaczy polega na jednoczesnym spełnieniu wymogów dotyczących współczynnika mocy (PF) i kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) norm, jak IEC 61000-3-2, a także najnowszej normy sprawności EnergyStar 80 PLUS Titanium. Ta ostatnia wymaga sprawności minimum 90% przy obciążeniu 10% i sprawności 94% przy pełnym obciążeniu. Konwencjonalna topologia podwyższająca korekcji współczynnika mocy (PFC) zapewnia wysoki współczynnik mocy i dobrą kompatybilność elektromagnetyczną (EMC), jednak zawiera mostek diodowy o stosunkowo niskiej sprawności, co utrudnia spełnienie norm dotyczących sprawności.

Zastąpienie mostka diodowego korekcją współczynnika mocy w bezmostkowej topologii totem pole zapewnia zarówno wysoki współczynnik mocy (PF), jak i wysoką sprawność. Powoduje jednak wzrost złożoności, ponieważ topologia ta zawiera dwie pętle sterowania: pętlę niskiej częstotliwości działającą z częstotliwością linii dla prostownika, a także pętlę wysokiej częstotliwości dla sekcji podwyższającej. Proces projektowania od zera dwóch pętli sterowania jest czasochłonny, co może wydłużyć czas wprowadzania produktu na rynek oraz skutkować droższym i większym rozwiązaniem niż to konieczne.

Aby sprostać tym wyzwaniom, projektanci mogą wykorzystać układy scalone kontrolera korekcji współczynnika mocy (PFC) zoptymalizowane pod kątem użycia w projektach korekcji współczynnika mocy (PFC) w bezmostkowej topologii totem pole. Kontrolery te posiadają pętle cyfrowe z kompensacją wewnętrzną, pozwalają na wdrożenie ograniczania prądu w każdym cyklu bez konieczności użycia czujnika hallotronowego i mogą być używane z krzemowymi tranzystorami MOSFET oraz urządzeniami przełączającymi o szerokiej przerwie energetycznej (WBG), wykonanymi na bazie węgliku krzemu (SiC) lub azotku galu (GaN). Wynikowa korekcja współczynnika mocy (PFC) może działać przy napięciach wejściowych od 90 do 265V~ i sprawnościach dochodzących do 99%.

Artykuł omawia pokrótce normy branżowe, które muszą być spełniane przez zasilacze prądu stałego-zmiennego, porównuje działanie różnych topologii korekcji współczynnika mocy (PFC) oraz uzasadnia, dlaczego najlepszym wyborem jest korekcja współczynnika mocy w bezmostkowej topologii totem pole. Następnie przedstawiono układ scalony kontrolera firmy onsemi zoptymalizowany pod kątem użycia w układach korekcji współczynnika mocy w bezmostkowej topologii totem pole, a także komponenty pomocnicze, płytkę ewaluacyjną oraz sugestie projektowe przyspieszające prace rozwojowe.

Uzyskanie sprawności może być skomplikowane

Zapewnienie sprawności zasilacza jest bardziej skomplikowane, niż mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka, ponieważ dotyczy zarówno komponentów prądu zmiennego, jak i stałego. Najprostszą definicją sprawności jest stosunek mocy wejściowej do mocy wyjściowej. Jednak moc wejściowa typowego zasilacza prądu zmiennego-stałego nie jest czysto sinusoidalna, co skutkuje różnicą pomiędzy mocą w fazie i poza fazą pobieraną z sieci prądu zmiennego. Różnica ta jest określana mianem współczynnika mocy (PF). Dla pełnego opisu sprawności zasilacza prądu zmiennego-stałego należy uwzględnić zarówno sprawność dla prądu stałego, jak i współczynnik mocy. Aby jeszcze bardziej utrudnić sprawy, krzywe sprawności nie są płaskie: sprawność i współczynnik mocy mogą różnić się zależnie od takich parametrów, jak napięcie wejściowe i obciążenie wyjściowe.

W celu uwzględnienia tych zmiennych, oprócz wymogów dotyczących współczynnika mocy (PF), normy sprawności, jak na przykład EnergyStar, definiują sprawność przy różnych poziomach obciążenia i różnych napięciach wejściowych (tabela 1). Dla napięcia wejściowego 115V~ najwyższy poziom o nazwie „80 PLUS Titanium” określa minimalną sprawność 90% zarówno przy 10%, jak i 100% obciążenia znamionowego, 94% przy 50% obciążenia znamionowego, a także współczynnik mocy PF ≥95% przy 20% obciążenia znamionowego. Dla napięcia wejściowego 230V~ wymagane są wyższe sprawności. Dodatkowo zasilacze mają spełniać wymogi normy IEC 61000-3-2, która określa limity harmonicznych w linii zasilającej.

Tabela 1: Normy parametrów działania (np. EnergyStar) zawierają wymogi dotyczące zarówno współczynnika mocy (PF), jak i sprawności. (Źródło tabeli: onsemi)

Istnieją dwa najczęściej stosowane podejścia do korekcji współczynnika mocy (PFC): przetwornica podwyższająca bazująca na prostowniku diodowym oraz bardziej skomplikowana topologia totem pole bazująca na prostowniku aktywnym (ilustracja 1). Korekcja współczynnika mocy (PFC) z przetwornicą podwyższającą pozwala spełnić podstawowe wymogi dotyczące współczynnika mocy i sprawności, jednak jest niewystarczająca dla surowych wymagań norm takich jak 80 PLUS Titanium. Przykład: w podwyższającej korekcji współczynnika mocy (PFC) mogą występować straty 2% w stopniu prądu stałego oraz 1% w prostowniku linii i stopniu korekcji współczynnika mocy (PFC) (mogą one wzrastać do niemal 2% podczas pracy przy niskich napięciach linii). Przy niemal 4% stratach dla niskich napięć linii, spełnienie wymogu 96% sprawności przy 230V~ oraz obciążeniu 50% stawianego przez normę 80 PLUS Titanium jest trudne. W zastosowaniach wymagających najwyższych poziomów sprawności, straty w stopniu korekcji współczynnika mocy (PFC) można zmniejszyć zastępując prostowniki diodowe prostownikami synchronicznymi.

Ilustracja 1: Dwie popularne topologie korekcji współczynnika mocy (PFC): podstawowa przetwornica podwyższająca (po lewej) oraz totem pole (po prawej). (Źródło ilustracji: onsemi)

W powyższej korekcji współczynnika mocy (PFC) typu totem pole, elementy Q3 i Q4 stanowią odgałęzienie niskiej częstotliwości odpowiedzialne za prostowanie synchroniczne z częstotliwością linii, natomiast elementy Q1 i Q2 tworzą odgałęzienie wysokiej częstotliwości, które podwyższa napięcie na przykład do poziomu 380V=. Pomimo że możliwe jest wdrożenie topologii totem pole z użyciem tranzystorów MOSFET o niskiej rezystancji w stanie włączenia (RON) jako elementów Q1 i Q2, straty przełączania przy wysokich częstotliwościach spowodowane regeneracją wsteczną tranzystorów MOSFET obniżają sprawność. Z tego względu w wielu projektach korekcji współczynnika mocy (PFC) typu totem pole krzemowe tranzystory MOSFET Q1 i Q2 są zastępowane przełącznikami mocy wykonanymi z węgliku krzemu (SiC) lub azotku galu (GaN), które charakteryzują się niskimi lub zerowymi stratami regeneracji wstecznej.