トーテムポールPFC技術による高効率な電源の実現手法

AC-DC電源はユビキタスであり、世界のエネルギー消費の大部分を占めているため、その効率はシステムコストや、より高いレベルでの排出量に直結します。AC-DC電源について説明する場合、もう1つの関連するパラメーターとして入力電力率も重要です。線電流と線間電圧が同じ正弦波の波形と位相を持っていない場合、電源が引き込む見かけ上の電力は必要以上に高くなります。これにより、ユーティリティネットワークを通じて非効率性が波及します。この非効率性は力率補正(PFC)によって対処でき、PFCは現在多くの国や地域で法定要件となっています。アクティブな力率補正のない一般的なPSUは、補正付きPSUよりも容易に70％多い電流を引き込むことができ、これが力率を1に近い値に補正する回路を組み込む必要がある理由です。

より正確には、IEC 61000-3-2などのEMC規格により、歪んだライン電流で生成されるライン高調波電力に対して最大40次の制限が課されます。80 Plus認定プログラムは80％の効率を促進し、これは20％、50％、および100％負荷時の効率に関連しています。最高レベルの80PLUS標準は、「80+チタン標準」と呼ばれ、10％から100％負荷に対し少なくとも90％の効率を規定します。

「80+チタン標準」の効率コンプライアンスの達成

力率をアクティブに補正する従来の方法は、整流された主電源から主電源電圧のピークよりも高いDCレベルへのブーストコンバーターを使用することです(図1左参照)。パルス幅変調は、DCレベルを調整すると同時に、線電流を強制的に線間電圧波形に追従させるために採用されます。

この技術は十分に機能し、ブーストインダクタのエネルギーが各サイクルで完全に枯渇するかどうかに関連して、連続、不連続、および臨界導通モードにおいて容易に制御できます。しかし、AC-DCコンバータの効率向上も求められており、サーバー向けのもっとも厳しい「80+ Titanium規格」レベルでは、50％負荷時に230VAC入力で最大96％の効率が義務付けられています。通常、DC-DCステージでは2％の損失が許容され、ライン整流とPFCステージでは2％だけ残されますが、ブリッジ整流器だけで1％以上が容易に損失し、低ラインでは最大約1.7％が損失します。

• 図1:従来式(左)と(右)ブリッジレストーテムポールPFC回路

したがって、より効率的な技術として、ブリッジレス「トーテムポールPFC」(TPPFC、図1右)が開発されました。この方式では、ブーストダイオードが同期整流器に置き換えられ、ブーストトランジスタとブーストダイオードQ1およびQ2が 主電源の極性に応じて、機能を交代します。これで必要なライン整流ダイオードは2個だけとなり、また図のように同期整流Q3とQ4にすることもでき、効率がさらに向上します。

完璧なスイッチと理想的なインダクタを使用し、ダイオード電圧降下がない場合、TPPFC回路の効率は100％に近づけることができます。しかし、実際のスイッチには導通損失とスイッチング損失があり、超低オン抵抗のMOSFETを使用すれば(並列構成にしても)低導通損失を実現できますが、これにより必ず動的損失が増加します。つまりバランスをとる必要が生じます。

動的損失は、ブースト同期整流器として構成されたMOSFETで、ボディダイオードがスイッチングの「デッド」時間内に導通する場合の逆回復に起因しており、またスイッチ出力容量の充放電にも起因します。効率への影響が非常に深刻なため、「スーパージャンクション」タイプのシリコンMOSFETでさえも連続導通モードで動作している場合は、TPPFC回路で使用することはできません。したがって、SiCとGaNのワイドバンドギャップスイッチを検討する必要があります。

スイッチおよびインダクタのピーク電流を低く設定できるため、連続導通モード(CCM)は高出力時に適しています。これにより、実効値が減少し、導通およびインダクタのコア損失が低く抑えられます。これは「ハード」スイッチングモードですが、逆回復と出力容量の影響により高い動的損失が発生します。

低電力では、不連続導通モード(DCM)のターンオン損失は低くなります。この時点で、ブーストダイオード電流がゼロに低下しているため、回復する電荷が存在しません。しかし、ピーク電流と実効電流が管理できなくなり、オーミック損失とコア損失が高くなる可能性があるため、このモードは高電力には適していません。

臨界導通モードは適切な妥協点

数百ワットまで、またはインターリーブでそれ以上使用できる適切な妥協点は、臨界導通モード(CrM)で動作させることです。このモードでは、負荷電流または線間電圧の変化に応じて、回路がCCMとDCMの境界で動作するようにスイッチング周波数が変化します。適度な導通損失とコア損失のためにピーク電流を平均2倍に制限しながら、低オン損失の利点が維持されます(図2)。

• 図2:PFCブーストインダクタ電流波形、臨界導通モード

しかし、CrMをオフにすると、ハードスイッチング転流が発生し、ブーストダイオードの順方向回復に伴う損失と出力電圧のオーバーシュートが発生します。また、CrMはスイッチング周波数が可変であるため、軽負荷時には周波数が非常に高くなり、スイッチング損失が増加して効率が低下する欠点があります。関係式は次のとおりです。

この式はスイッチング周波数と入力電力が直接的な逆相関の関係にあることを意味しており、20％から100％の負荷電力すなわち5倍の変化は、一定の効率で5倍の周波数変化を生じるはずです。しかし、周波数が高くなれば効率は低下するので、要因は相互に影響します。周波数と実効線間電圧の関係はより複雑で、通常は線間範囲で周波数が2:1以上に変動し、中電圧でピークに達します。

CrMのクランプ周波数での軽負荷時の損失低減

軽負荷時の効率の低下は、最大10％になる可能性があり、スタンバイまたは無負荷時のエネルギー消費制限を満たそうとする場合に、現実的な問題になります。この問題を解決するには、軽負荷時に回路を強制的にDCMに移行させ、許容最大周波数をクランプまたは「フォールドバック」させることで、CrMと比較して高いピーク電流を低いレベルに抑えることです。

そこで、中負荷および高効率においてラインおよび負荷範囲全体で力率補正を行うための優れた解決策は、周波数クランプを備えたトーテムポール配置です。この回路は、ACライン同期整流用のシリコンMOSFETと、高周波「レッグ」用のワイドバンドギャップスイッチの組み合わせを使用する必要があります。しかし、この回路を制御することは困難であり、4つのアクティブなデバイスを駆動し、ゼロダイオード電流を検出してCrMを強制し、軽負荷時にDCMに自動的にクロスオーバーすると同時に、出力電圧を安定化させ、高力率を維持します。出力過電圧検出と同様に、スイッチ過電流保護が望まれます。これはすべて、マイクロコントローラーに複雑な制御アルゴリズムを実装し、スイッチと検出されたパラメーターに接続することで実現できます。しかし、このソリューションは高額になる可能性があり、電源設計者は最適な性能を得るためにデバイスのコーディングに関与する必要があります。これは慣れていない人にとっては、困難で時間のかかる作業です。

ミックスドシグナル方式TPPFC CrMコントローラ

オンセミは、コーディングを必要としない、よりシンプルなソリューションを提供しています。SOIC-16パッケージで提供されるミックスドシグナルCrM TTPFCコントローラー「NCP1680」は、独自の低損失電流センシングアーキテクチャと、費用対効果が高く、低リスク、高性能ソリューションとして実証済みの制御アルゴリズムを備えています。このデバイスは軽負荷時の周波数フォールドバック中での定オンタイムCrMと「バレースイッチング」を特徴とし、最小電圧でスイッチングすることで効率を高めています。デジタル電圧制御ループは内部で補償されており、負荷範囲全体で最適化された性能を発揮するシステムを容易に設計できます。ホール効果センサーなしで保護を行うために、サイクル単位での電流制限機能を搭載しています。NCP1680を使用したトートポールPFCステージの実装を示す簡略回路図を図3に示します。

• 図3:NCP1680を使用した代表的なTPPFCアプリケーションの簡略図

NCP1680の評価ボードが利用可能です(図4)。評価ボードでは高速スイッチにGaN HEMTセルを使用し、ACライン同期整流器にSi-MOSFETを使用しています。

• 図4:オンセミのNCP1680評価ボード

この評価ボードは90-265VACラインから395VDCで300Wを供給し、全負荷時の効率はピークで99％近く、ライン範囲全体で98％達成し、負荷20％になります(図5)。

• 図5:オンセミ NCP1680評価ボードの効率プロット

オンセミのワイドバンドギャップ半導体とコスト効率の高いミックスドシグナル臨界導通モードコントローラを利用することにより、トーテムポールPFCステージは、80+ Titanium規格とスタンバイ損失および無負荷損失のエコ設計要件に適合しながら、数百ワットまでの高効率力率補正にソリューションとなります。

すべての垂直セクターからより高い効率が求められる中、CrMを使用してすべての負荷レベルで損失を低減できるアクティブPFCの改善は、メーカー、消費者、およびユーティリティサービスプロバイダーによって歓迎されるでしょう。