Cuándo y cómo utilizar la corrección del factor de potencia de los tótems sin puente

El alto factor de potencia (PF) y la alta eficiencia son requisitos clave para las fuentes de alimentación CA-CC utilizadas en servidores, redes, telecomunicaciones 5G, sistemas industriales, vehículos eléctricos y una serie de otras aplicaciones. Sin embargo, el reto para los diseñadores de fuentes de alimentación es cumplir simultáneamente los requisitos de PF y compatibilidad electromagnética (EMC) de normas como la IEC 61000-3-2, así como la última norma de eficiencia 80 PLUS Titanium de EnergyStar. Este último exige un mínimo de 90% de eficiencia al 10% de carga y 94% de eficiencia a plena carga. Una topología convencional de corrección de la FP de refuerzo (PFC) puede ofrecer una FP elevada y una buena compatibilidad electromagnética, pero incluye un puente de diodos relativamente ineficiente, lo que dificulta el cumplimiento de las normas de eficiencia previstas.

La sustitución del puente de diodos por una topología PFC de tótems sin puentes proporciona tanto una alta FP como una alta eficiencia. Sin embargo, esto introduce una mayor complejidad, ya que la topología incluye dos bucles de control: un bucle lento que funciona a la frecuencia de la línea para la rectificación, y un bucle de alta frecuencia para la sección de refuerzo. Diseñar dos lazos de control desde cero es un proceso que lleva mucho tiempo y puede retrasar el tiempo de comercialización y dar lugar a una solución más costosa y grande de lo necesario.

Para hacer frente a estos retos, los diseñadores pueden recurrir a los CI de controladores PFC optimizados para su uso en diseños PFC de tótems sin puente. Estos controladores cuentan con bucles digitales compensados internamente, pueden implementar la limitación de corriente ciclo a ciclo sin necesidad de un sensor de efecto Hall y pueden utilizarse con MOSFET de silicio o dispositivos de conmutación de banda ancha (WBG), como el carburo de silicio (SiC) o el nitruro de galio (GaN). El PFC resultante puede funcionar con entradas de 90 a 265 voltios de CA y con eficiencias de hasta el 99%.

En este artículo se repasan brevemente las normas industriales que deben cumplir las fuentes de alimentación CA-CC, se compara el rendimiento de varias topologías PFC y se identifica cuándo un PFC de tótems sin puente es la mejor opción. A continuación, presenta un CI controlador de onsemi optimizado para su uso en PFC de tótems sin puente, junto con componentes de apoyo, una placa de evaluación y sugerencias de diseño para acelerar el proceso de desarrollo.

La eficiencia puede ser complicada

La eficiencia de la fuente de alimentación es más complicada de lo que parece a primera vista, ya que incluye componentes de CA y CC. El rendimiento simple es la relación entre la potencia de entrada y la potencia de salida. Sin embargo, la potencia de entrada de una fuente de alimentación típica de CA-CC no es puramente sinusoidal, lo que da lugar a una diferencia entre la potencia en fase y fuera de fase extraída de la red de CA. Esa diferencia se reconoce como el FP. Para una descripción completa de la eficiencia de una fuente de alimentación CA-CC, es necesario incluir tanto la eficiencia CC como el PF. Para hacerlo más difícil, las curvas de eficiencia no son planas: la eficiencia y el FP pueden variar con parámetros como la tensión de entrada y la carga de salida.

Para tener en cuenta estas variables, las normas de eficiencia como EnergyStar definen la eficiencia a varios niveles de carga y a diferentes tensiones de entrada, junto con un requisito de FP (Tabla 1). El nivel más alto, denominado "80 PLUS Titanium", especifica una eficiencia mínima para la entrada de 115 voltios de CA del 90% tanto al 10% como al 100% de la carga nominal, una eficiencia del 94% al 50% de la carga nominal, además de un FP de ≥95% al 20% de la carga nominal. Para la entrada de 230 voltios de CA se requiere una mayor eficiencia. Además, se espera que las fuentes de alimentación cumplan la norma IEC 61000-3-2, que pone límites a los armónicos de la línea eléctrica.

Cuadro 1: Las normas de rendimiento, como EnergyStar, incluyen requisitos de FP y de eficiencia. (Fuente de la tabla: onsemi)

Hay dos enfoques comunes para el PFC: un convertidor de refuerzo basado en la rectificación de diodos; y una topología de tótems más compleja y eficiente basada en la rectificación activa (Figura 1). Un convertidor PFC de refuerzo puede cumplir los requisitos básicos de FP y eficiencia, pero no es adecuado para requisitos estrictos como el 80 PLUS Titanium. Por ejemplo, en un PFC de refuerzo, puede haber pérdidas del 2% en la etapa CC-CC, y pérdidas del 1% en la etapa de rectificación de línea y PFC (esto puede aumentar hasta casi el 2% en el funcionamiento de línea baja). Con casi un 4% de pérdidas en la línea baja, es un reto cumplir con el requisito 80 PLUS Titanium del 96% de eficiencia con una entrada de 230 voltios de CA y una carga del 50%. En aplicaciones que exigen los más altos niveles de eficiencia, las pérdidas en la etapa PFC pueden reducirse sustituyendo los rectificadores de diodos por rectificación sincrónica.

Figura 1: Dos topologías comunes de PFC incluyen un convertidor boost básico (izquierda) y un tótem (derecha). (Fuente de la imagen: onsemi)

En el tótem PFC anterior, Q3 y Q4 son la pata lenta que implementa la rectificación sincrónica a la frecuencia de línea, mientras que Q1 y Q2 forman la pata rápida que eleva la tensión rectificada a un nivel superior, como 380 voltios de CC. Aunque es posible implementar un tótem utilizando MOSFET de baja resistencia (R_ON) para Q1 y Q2, las pérdidas de conmutación de alta frecuencia debidas a la recuperación inversa de los MOSFET reducen la eficiencia. Como resultado, en muchos diseños de PFC de tótem, los MOSFET de silicio Q1 y Q2 se sustituyen por interruptores de potencia de SiC o GaN que tienen pocas o ninguna pérdida de recuperación inversa.

Control optimizado

Otra decisión al diseñar un PFC es la selección de la técnica de control. Los PFC pueden funcionar en modo de conducción continua (CCM), discontinua (DCM) o de conducción crítica (CrM). Estos modos se diferencian por las características de funcionamiento del inductor de refuerzo (L1 en la figura 1). El CCM hace el mejor uso del inductor y mantiene bajas las pérdidas de conducción y del núcleo, pero el CCM es de difícil conmutación y tiene mayores pérdidas dinámicas. El DCM puede ser eficiente para el funcionamiento de baja potencia, pero sufre de corrientes de pico y rms relativamente altas, lo que resulta en mayores pérdidas de conducción y de núcleo en el inductor.

CrM puede proporcionar una mayor eficiencia en diseños de hasta unos cientos de vatios. Con CrM, se controlan los cambios en la tensión de línea y la corriente de carga, y la frecuencia de conmutación se ajusta para operar entre CCM y DCM. El CrM tiene bajas pérdidas de encendido, y limita la corriente de pico al doble de la corriente media, manteniendo las pérdidas de conducción y del núcleo a un nivel razonable (Figura 2).

Figura 2: La corriente de pico del inductor PFC CrM (Ipk) está limitada al doble de la corriente de la línea de entrada. (Fuente de la imagen: onsemi)

Sin embargo, el uso de CrM plantea algunos problemas:

• Es una topología de conmutación dura, y la recuperación hacia delante del dispositivo de refuerzo añade algunas pérdidas y puede causar un sobreimpulso de la tensión de salida.
• Con cargas ligeras, funciona a frecuencias muy altas, lo que aumenta las pérdidas de conmutación y reduce la eficiencia.
• Hay cuatro dispositivos activos que controlar, además de la necesidad de detectar la corriente cero en el inductor PFC y regular la tensión de salida.

CrM puede implementarse utilizando sensores en circuito junto con un microcontrolador (MCU) para realizar los complejos algoritmos de control. La codificación de los algoritmos para tener en cuenta los problemas de rendimiento descritos anteriormente es arriesgada y requiere mucho tiempo, lo que puede retrasar el tiempo de comercialización.

Tótems sin código

Para resolver estos problemas, los diseñadores pueden recurrir al controlador de señal mixta NCP1680ABD1R2G de onsemi, que proporciona una solución PFC de tótems CrM integrada y sin código. El controlador empaquetado en SOIC-16 cuenta con la calificación AEC-Q100 para aplicaciones de automoción y presenta una detección de corriente resistiva de bajas pérdidas y bajo costo, e implementa una protección de limitación de corriente ciclo a ciclo sin necesidad de un sensor de efecto Hall (Figura 3). El bucle de control de tensión digital compensado internamente optimiza el rendimiento en todo el rango de carga, simplificando el diseño del PFC.

Figura 3: El controlador NCP1680 CrM utiliza una detección de corriente resistiva eficiente y de bajo coste (ZCD en la esquina inferior derecha del esquema). (Fuente de la imagen: onsemi)

Controlador de puerta de alta velocidad

El controlador NCP1680 puede emparejarse con el controlador de puerta de alta velocidad NCP51820 de onsemi de 4 x 4 milímetros (mm) y 15 pines. Está diseñado para su uso con transistores de inyección de puerta (GIT) de GaN de alta movilidad de electrones (HEMT) e interruptores de potencia de GaN en modo de mejora (modo e) en topologías de medio puente (Figura 4).

Figura 4: Los controladores NCP1680 (izquierda) pueden emparejarse con el controlador de puerta de alta velocidad NCP51820 (derecha) para accionar dispositivos de potencia de GaN en un PFC de tótem. (Fuente de la imagen: onsemi)

Por ejemplo, el NCP51820AMNTWG presenta retardos de propagación cortos y adaptados, así como un rango de tensión en modo común para el accionamiento del lado alto de -3.5 voltios a +650 voltios (típico). Las etapas de controladores tienen reguladores de voltaje dedicados para proteger las puertas de los dispositivos de GaN de la tensión. Los controladores de compuerta NCP51820 incluyen protección independiente de bloqueo por subtensión (UVLO) y apagado térmico.

Para acelerar el tiempo de comercialización, los diseñadores pueden utilizar la placa de evaluación (EVB) NCP51820GAN1GEVB. Este EVB ayuda a los diseñadores a explorar el rendimiento de los controladores NCP51820 para accionar eficazmente dos interruptores de potencia de GaN en una configuración de tótem. El NCP51820GAN1GEVB está diseñado con una placa de circuito impreso (PC) de cuatro capas, de 1310 milésimas de pulgada (mil) x 1180 mil. Incluye el controlador de GaN NCP51820 y dos interruptores de potencia de GaN en modo electrónico en una configuración de medio puente (Figura 5).

Figura 5: El EVB NCP51820GAN1GEVB incluye un controlador NCP51820 y dos interruptores GaN en modo E en una configuración de medio puente. (Fuente de la imagen: onsemi)

Sugerencias de diseño

Hay algunas sugerencias de diseño sencillas que los diseñadores pueden seguir para obtener el mejor rendimiento al utilizar estos circuitos integrados. Por ejemplo, para evitar que el ruido se acople a la ruta de la señal y active accidentalmente el controlador de puerta NCP51820, onsemi recomienda que las señales de control (PWMH y PWML) del NCP1680 se filtren directamente en la entrada del CI del controlador de puerta. Una resistencia de 1 kiloohm (kΩ) y un condensador de 47 o 100 picofaradios (pF) colocados directamente en el pin del controlador pueden proporcionar un filtrado adecuado (Figura 6).

Figura 6: El filtrado de las señales de control PWMH y PWML del NCP1680 justo a la entrada del CI controlador de puerta NCP51820 puede evitar efectos de ruido, como el disparo accidental del NCP51820. El filtrado se realiza aquí utilizando resistencias de 1 kΩ (centro izquierda) y condensadores de 47 pF (centro derecha). (Fuente de la imagen: onsemi)

El modo de salto/espera del NCP1680 permite un rendimiento muy bueno en vacío y con poca carga, pero debe activarse externamente pulsando el pin PFCOK o conectando a tierra el pin SKIP y conectando con el controlador de modo resonante NCP13992 (Figura 7). Los valores de los componentes para el circuito de interfaz deben ser similares a los que se encuentran en el NCP1680 EVB. En funcionamiento normal, la patilla PFCMODE del controlador de modo resonante NCP13992 es la misma que la tensión de polarización VCC del controlador. Pulsa a tierra cuando el convertidor entra en modo de salto. Para entrar en el modo de salto, el pin PFCOK debe estar por debajo de 400 milivoltios (mV) durante más de 50 microsegundos (μs).

Figura 7: Ejemplo del circuito de disparo externo necesario para invocar el modo de salto/espera en el NCP1680. (Fuente de la imagen: onsemi)

Conclusión:

Cumplir simultáneamente con los requisitos de eficiencia, EMC y PF de las últimas normas EnergyStar, como 80 PLUS Titanium, puede ser un reto utilizando una topología típica de PFC de convertidor elevador. En su lugar, los diseñadores pueden recurrir a una topología PFC de tótems. Como se ha mostrado, el uso del controlador de señal mixta NCP1680, junto con los componentes de apoyo de onsemi, como el controlador de puerta NCP51820, una placa de evaluación, así como algunas de las mejores prácticas de diseño- permite a los diseñadores implementar rápidamente una solución PFC de tótems CrM cumpliendo los estándares requeridos.

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