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Oct 17, 2023

高効率AC/DC電源でMCU（およびコーディング）の必要性を排除

ジョン・ハーパー | Onsemi グリッドの電源は多くの正当な理由から AC ですが、ほぼすべてのデバイスの動作には DC 電源が必要です。 これは、AC-DC 電源がほぼどこでも使用されていることを意味します。

ジョン・ハーパー | オンセミア

グリッド電源が AC であるのには多くの正当な理由がありますが、ほぼすべてのデバイスの動作には DC 電源が必要です。 これは、AC-DC 電源がほぼあらゆる場所で使用されていることを意味し、環境意識が高まりエネルギーコストが上昇する時代において、運用コストを管理し、エネルギーを賢く利用するには、AC-DC 電源の効率が非常に重要です。

簡単に言えば、効率は入力電力と出力電力の比率です。 ただし、入力力率 (PF) を考慮する必要があります。これは、電源を含む AC 電源デバイスにおける有効 (真) 電力と合計 (皮相) 電力の比率です。

純粋な抵抗負荷の場合、PF は 1.00 (「単位」) になりますが、無効負荷では皮相電力が増加するにつれて PF が減少し、効率の低下につながります。 PF が 1 未満になるのは、位相のずれた電圧と電流、重大な高調波成分、または歪んだ電流波形が原因で発生します。これは、スイッチ モード電源 (SMPS) などの不連続電子負荷でよく見られます。

電力レベルが 70W を超える場合、低い PF が効率に及ぼす影響を考慮すると、法律により、PF を 1 に近い値に補正する回路を組み込むことが設計者に義務付けられています。 多くの場合、アクティブ PF 補正 (PFC) では、整流された主電源を高い DC レベルに変換するブースト コンバータが使用されます。 このレールは、パルス幅変調 (PWM) またはその他の技術を使用して調整されます。

このアプローチは通常機能し、導入も簡単です。 ただし、難しい「80+ チタン規格」などの最新の効率要件では、広い動作電力範囲にわたる効率が規定されており、半負荷で 96% のピーク効率が必要です。 これは、後続の PWM DC-DC がさらに 2% 損失するため、ライン整流と PFC ステージが 98% を達成する必要があることを意味します。 ブリッジ整流器のダイオード内の損失により、これを達成することは非常に困難です。

ブースト ダイオードを同期整流器に置き換えると効果があり、2 つのライン整流器ダイオードも同様に置き換えることができ、効率がさらに向上します。 このトポロジーはトーテムポール PFC (TPPFC) と呼ばれ、理論上、理想的なインダクターと完璧なスイッチを使用すると、効率は 100% に近づきます。 シリコン MOSFET は優れた性能を提供しますが、ワイド バンドギャップ (WBG) デバイスは「理想的な」性能にはるかに近い性能を提供します。

設計者が磁気コンポーネントのサイズを縮小するために周波数を高めると、スイッチング デバイスの動的損失も増加します。 シリコン MOSFET ではこれらの損失が重大になる可能性があるため、設計者は、特に TPPFC アプリケーションでは、炭化ケイ素 (SiC) や窒化ガリウム (GaN) を含む WBG 材料に目を向けています。

臨界伝導モード (CrM) は、一般に、最大数百ワットの電力レベルでの TPPFC 設計に推奨されるアプローチであり、効率と EMI 性能のバランスをとります。 キロワット設計では、連続伝導モード (CCM) によりスイッチ内の RMS 電流がさらに減少し、伝導損失が減少します。

CrM でさえ、軽負荷では効率が 10% 近く低下する可能性があり、これが「Titanium 80 Plus」を達成するための障害となります。 最大周波数をクランプ (「フォールドバック」) すると、軽負荷時に回路が強制的に DCM になり、それによってピーク電流が大幅に減少します。

4 つのアクティブ デバイスが同期して駆動され、CrM を強制するためにインダクタのゼロ電流交差を検出する必要があるため、TPPFC の設計は決して簡単なものではありません。 さらに、回路は、高力率を維持し、出力を安定化するための PWM 信号を生成しながら、DCM のオン/オフを切り替え、また回路保護 (過電流や過電圧など) を提供する必要があります。

これらの複雑さに対処する明白な方法は、制御アルゴリズムにマイクロコントローラー (MCU) を導入することです。 ただし、これにはコードの生成とデバッグが必要となり、設計に多大な労力とリスクが追加されます。

ただし、完全に統合された TPPFC 制御ソリューションを使用することで、時間のかかるコーディングを回避できます。 これらのデバイスには、MCU と関連コードを実装する必要がないため、高性能、設計時間の短縮、設計リスクの軽減など、いくつかの利点があります。