Quando e como usar a correção do fator de potência totem-pole sem ponte

Alto fator de potência (PF) e alta eficiência são requisitos-chave para fontes de alimentação CA-CC usadas em servidores, redes, telecomunicações 5G, sistemas industriais, veículos elétricos e uma gama de outras aplicações. Entretanto, o desafio para os projetistas de fontes de alimentação é atender simultaneamente às exigências do PF e da compatibilidade eletromagnética (EMC) de normas como IEC 61000-3-2, bem como a mais recente norma de eficiência 80 PLUS Titanium da EnergyStar. Este último exige um mínimo de 90% de eficiência com 10% de carga e 94% de eficiência com carga total. Uma topologia boost convencional de correção do PF (PFC) pode proporcionar PF elevado e boa EMC, mas inclui uma ponte de diodos relativamente ineficiente, dificultando o cumprimento dos padrões de eficiência esperados.

A substituição da ponte de díodos por uma topologia totem-pole PFC sem ponte proporciona tanto alto PF quanto alta eficiência. Entretanto, isto introduz uma maior complexidade, uma vez que a topologia inclui duas malhas de controle: uma malha lenta operando na frequência da linha para retificação, e uma malha de alta frequência para a seção boost. Projetar duas malhas de controle do zero é um processo demorado que pode atrasar o tempo de comercialização e resultar em uma solução mais cara e maior do que o necessário.

Para enfrentar estes desafios, os projetistas podem, em vez disso, recorrer aos CIs controladores PFC otimizados para uso em projetos de totem-pole PFC sem ponte. Estes controladores têm malhas digitais compensadas internamente, podem implementar limite de corrente ciclo a ciclo sem necessidade de um sensor de efeito Hall, e podem ser usados com MOSFETs de silício ou dispositivos de chaveamento de banda proibida (WBG), como carbeto de silício (SiC) ou nitreto de gálio (GaN). A PFC resultante pode operar com entradas de 90 a 265 volts CA e com eficiências de até 99%.

Este artigo revisa brevemente os padrões do setor que as fontes de alimentação CA-CC devem atender, compara o desempenho de várias topologias PFC, e identifica quando um PFC totem-pole sem ponte é a melhor escolha. Em seguida, apresenta um CI controlador da onsemi otimizado para uso em PFC totem-pole sem ponte, com componentes de suporte, uma placa de avaliação e sugestões de projeto para acelerar o processo de desenvolvimento.

A eficiência pode ser complicada

A eficiência da fonte de alimentação é mais complicada do que parece inicialmente, pois inclui tanto componentes CA como CC. A eficiência simples é a relação entre a potência de entrada e a potência de saída. Entretanto, a potência de entrada para uma fonte de alimentação CA-CC típica não é puramente senoidal, resultando em uma diferença entre a potência na fase e fora da fase extraída da rede elétrica ca. Essa diferença é reconhecida como o PF. Para uma descrição completa da eficiência de uma fonte de alimentação CA-CC, tanto a eficiência CC quanto a PF precisam ser incluídas. Para torná-la mais desafiadora, as curvas de eficiência não são planas: eficiência e PF podem variar com parâmetros como a tensão de entrada e a carga de saída.

Para considerar estas variáveis, padrões de eficiência como EnergyStar definem a eficiência em vários níveis de carga e em diferentes tensões de entrada, com uma exigência de PF (Tabela 1). O nível mais alto, chamado "80 PLUS Titanium", especifica uma eficiência mínima para 115 volts CA de entrada de 90% tanto a 10% como a 100% da carga nominal, 94% de eficiência a 50% da carga nominal, mais um PF de ≥95% a 20% da carga nominal. São necessárias eficiências maiores para a entrada de 230 volts CA. Além disso, espera-se que as fontes de alimentação atendam a IEC 61000-3-2 que impõe limites aos harmônicos da linha de energia.

Tabela 1: Padrões de desempenho como EnergyStar incluem requisitos para PF, bem como eficiência. (Fonte da tabela: onsemi)

Há duas abordagens comuns a PFC: um conversor boost baseado na retificação de diodos; e uma topologia mais complexa e mais eficiente de totem-pole baseada na retificação ativa (Figura 1). Um conversor boost PFC pode atender aos requisitos básicos de PF e eficiência, mas não é adequado para requisitos rigorosos, tais como 80 PLUS Titanium. Por exemplo, em um boost PFC, pode haver perdas de 2% no estágio CC-CC, e perdas de 1% no estágio de retificação da linha e PFC (isto pode aumentar para quase 2% na operação de linha baixa). Com quase 4% de perdas na linha baixa, é um desafio cumprir a exigência 80 PLUS Titanium de 96% de eficiência com uma entrada de 230 Volts CA e 50% de carga. Em aplicações que exigem os mais altos níveis de eficiência, as perdas no estágio PFC podem ser reduzidas através da substituição dos retificadores de diodos por retificadores síncronos.

Figura 1: Duas topologias comuns de PFC incluem um conversor boost básico (esquerda) e um totem-pole (direita). (Fonte da imagem: onsemi)

No totem pole PFC acima, Q3 e Q4 são a ramificação lenta que implementa a retificação síncrona na frequência da linha, enquanto Q1 e Q2 formam a ramificação rápida que reforça a tensão retificada para um nível mais alto, como 380 volts CC. Embora seja possível implementar um totem pole usando MOSFETs de baixa resistência de condução (R_ON) para Q1 e Q2, as perdas de chaveamento de alta frequência devido à recuperação reversa dos MOSFETs reduzem a eficiência. Como resultado, em muitos projetos de totem-pole PFC, os MOSFETs de silício Q1 e Q2 são substituídos por comutadores de potência de SiC ou GaN que têm pouca ou nenhuma perda de recuperação reversa.

Controle otimizado

Outra decisão ao projetar um PFC é a seleção da técnica de controle. Os PFCs podem operar em modo de condução contínua (CCM), descontínua (DCM) ou em modo de condução crítica (CrM). Estes modos diferem pelas características operacionais do indutor de reforço (L1 na Figura 1). O CCM faz o melhor uso do indutor e mantém a condução e as perdas do núcleo baixas, mas o CCM é de difícil comutação e tem perdas dinâmicas mais elevadas. O DCM pode ser eficiente para operação de baixa potência, mas sofre de correntes de pico e rms relativamente altas, resultando em maiores perdas de condução e no núcleo do indutor.

O CrM pode proporcionar maior eficiência em projetos de até algumas centenas de watts. Com CrM, as mudanças na tensão de linha e corrente de carga são monitoradas, e a frequência de chaveamento é ajustada para operar entre CCM e DCM. O CrM tem baixas perdas de ativação e limita o pico de corrente ao dobro da corrente média, mantendo a as perdas de condução e do núcleo a um nível razoável (Figura 2).

Figura 2: A corrente de pico do indutor (Ipk) CrM PFC boost é limitada ao dobro da corrente da linha de entrada. (Fonte da imagem: onsemi)

No entanto, existem alguns desafios associados ao uso do CrM:

• É uma topologia de chaveamento difícil, e a recuperação direta do dispositivo de reforço adiciona algumas perdas e pode causar um excesso da tensão de saída.
• Em cargas leves, ele funciona em frequências muito altas, aumentando as perdas de chaveamento e reduzindo a eficiência.
• Há quatro dispositivos ativos para controlar, mais a necessidade de detectar corrente zero no indutor PFC e regular a tensão de saída.

O CrM pode ser implementado usando sensores no circuito junto com um microcontrolador (MCU) para executar os complexos algoritmos de controle. A codificação dos algoritmos para responder aos desafios de desempenho delineados acima é arriscada e demorada, o que pode atrasar o tempo de colocação no mercado.

Totem poles sem código

Para resolver estas preocupações, os projetistas podem recorrer ao controlador de sinal misto NCP1680ABD1R2G da onsemi que fornece uma solução integrada e PFC CrM totem-pole sem código. O controlador encapsulado SOIC-16 tem qualificação AEC-Q100 para aplicações automotivas e apresenta detecção resistiva de corrente de baixa perda, baixo custo, e implementa proteção limitadora de corrente ciclo a ciclo sem a necessidade de um sensor de efeito Hall (Figura 3). A malha de controle digital de tensão compensada internamente otimiza o desempenho em toda a faixa de carga, simplificando o projeto da PFC.

Figura 3: O controlador CrM NCP1680 usa detecção resistiva de corrente de baixo custo e eficiente (ZCD no canto inferior direito do esquema). (Fonte da imagem: onsemi)

Acionador de porta de alta velocidade

O controlador NCP1680 pode ser emparelhado com o acionador de porta de alta velocidade NCP51820 de invólucro QFN de 15 pinos de 4 x 4 milímetros (mm) da onsemi. Ele foi projetado para uso com transistores de injeção de porta (GIT) de GaN, transistores de alta mobilidade de elétrons (HEMTs) e comutadores de potência de GaN em modo de enriquecimento (e-mode) nas topologias de meia ponte (Figura 4).

Figura 4: Os controladores NCP1680 (esquerda) podem ser emparelhados com o acionador de porta de alta velocidade NCP51820 (direita) para conduzir dispositivos de potência de GaN em uma PFC totem pole. (Fonte da imagem: onsemi)

Por exemplo, o NCP51820AMNTWG apresenta atrasos de propagação curtos e casados, bem como uma faixa de tensão de modo comum para o acionamento do lado de alta de -3,5 volts a +650 volts (típico). Os estágios do acionador têm reguladores de tensão dedicados para proteger as portas dos dispositivos de GaN contra estresse de tensão. Os acionadores de porta NCP51820 incluem bloqueio independente de subtensão (UVLO) e proteção contra desligamento térmico.

Para acelerar o tempo de comercialização, os projetistas podem usar a placa de avaliação NCP51820GAN1GEVB (EVB). Esta EVB ajuda os projetistas a explorar o desempenho dos acionadores de porta NCP51820 para conduzir com eficiência dois comutadores de potência de GaN em uma configuração de totem-pole. O NCP51820GAN1GEVB é projetado usando uma placa de circuito impresso impresso de quatro camadas de 1310 milésimos de polegada (mil) x 1180 mil. Inclui o acionador NCP51820 de GaN e dois comutadores de potência de GaN em modo de enriquecimento numa configuração de meia ponte (Figura 5).

Figura 5: A EVB NCP51820GAN1GEVB inclui um acionador NCP51820 e dois comutadores de GaN em modo de enriquecimento numa configuração de meia ponte. (Fonte da imagem: onsemi)

Sugestões de projeto

Há algumas sugestões simples de projeto que os projetistas podem seguir para perceber o melhor desempenho ao usar estes CIs. Por exemplo, para evitar o acoplamento de ruídos no caminho do sinal e disparar acidentalmente o acionador de porta NCP51820, a onsemi recomenda que os sinais de controle (PWMH e PWML) do NCP1680 sejam filtrados diretamente na entrada do CI acionador de porta. Um resistor de 1 quilo-ohm (kΩ) e um capacitor de 47 ou 100 picofarad (pF) colocado diretamente no pino do acionador pode proporcionar uma filtragem adequada (Figura 6).

Figura 6: A filtragem dos sinais de controle PWMH e PWML do NCP1680 diretamente na entrada do CI acionador de porta NCP51820 pode evitar efeitos de ruído, como o disparo acidental do NCP51820. A filtragem é realizada aqui usando resistores de 1 kΩ (centro esquerda) e capacitores de 47 pF (centro direita). (Fonte da imagem: onsemi)

O modo pular/esperar do NCP1680 permite um desempenho muito bom sem carga e com carga leve, mas deve ser disparado externamente pulsando o pino PFCOK ou aterrando o pino SKIP e fazendo interface com o controlador de modo ressonante NCP13992 (Figura 7). Os valores dos componentes para o circuito de interface devem ser similares aos encontrados na EVB NCP1680. Sob operação normal, o pino PFCMODE no controlador de modo ressonante NCP13992 é o mesmo que a tensão de polarização VCC do controlador. Ele pulsa para o terra quando o conversor entra em modo pular. Para entrar no modo pular, o pino PFCOK deve estar abaixo de 400 milivolts (mV) por mais de 50 microssegundos (μs).

Figura 7: Exemplo do circuito de disparo externo necessário para invocar o modo pular/esperar no NCP1680. (Fonte da imagem: onsemi)

Conclusão

Cumprir simultaneamente os requisitos de eficiência, EMC e PF das últimas normas EnergyStar, como o 80 PLUS Titanium, pode ser um desafio usando uma topologia PFC típica de conversor boost. Os projetistas podem, em vez disso, recorrer a uma topologia PFC de totem-pole. Como mostrado, o uso do controlador de sinal misto NCP1680, com componentes de suporte da onsemi — como o acionador de porta NCP51820, uma placa de avaliação, bem como algumas melhores práticas de projeto — permite aos projetistas implementam rapidamente uma solução PFC CrM totem-pole enquanto atendem aos padrões exigidos.

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