Totem pole pfc что это

Сравнение топологии PFC: топология Interleaved Boost и топология Totem Pole

[Введение]Электронный оборудование все чаще подключается к сети, что увеличивает вероятность искажения сети и делает распределительную сеть подверженной проблемам. Чтобы решить эти проблемы, в конструкции источников питания требуются усовершенствованные схемы коррекции коэффициента мощности (PFC), чтобы соответствовать строгим стандартам коэффициента мощности (PF).

Наиболее часто используемой топологией для коррекции коэффициента мощности является повышающая коррекция коэффициента мощности, но появление полупроводников с широкой запрещенной зоной (WBG), таких как GaN и SiC, привело к реализации безмостовых топологий, таких как тотемно-полюсная коррекция коэффициента мощности. упрощает управление сложными конструкциями, такими как PFC с чередованием тотемных столбов. В этой статье сравнивается использование трех топологий в различных приложениях, включая повышающий ККМ с чередованием, ККМ с тотемным полюсом без моста и ККМ с тотемным полюсом с чередованием.

Чередующийся повышающий PFC

Чередующаяся повышающая коррекция коэффициента мощности является наиболее распространенной топологией коррекции коэффициента мощности. Эта топология включает в себя повышение Преобразователь (см. рис. 1) в дополнение к использованию выпрямительного диодного моста для преобразования переменного напряжение к напряжению постоянного тока. Повышающий преобразователь повышает напряжение до более высокого значения, что уменьшает пульсации выходного напряжения, при этом ток преобразуется в синусоиду.

Рис. 1. Схема ККМ с форсированием с чередованием.

Коррекция коэффициента мощности может быть достигнута только с одним повышающим преобразователем, но разработчики часто используют два или более параллельных преобразователя, которые сдвинуты по фазе друг относительно друга. Это чередующееся соединение повышает эффективность при одновременном снижении пульсаций входного тока.

Тотемный столб без моста PFC

Применение новых полупроводник материалы, особенно карбид кремния (SiC), для силовых выключателей могут позволить конструкции, которые ранее были невозможны из-за тепловых и электрических свойств кремния. Одной из них является безмостовая топология с тотемным полюсом, которая объединяет каскады выпрямления и повышения и обеспечивает две коммутационные ветви, работающие на разных частотах (см. рис. 2).

Рисунок 2: Схема безмостового тотемного PFC.

Первая ветвь, называемая медленной ветвью (SD1 и SD2), коммутирует на частоте сети (например, между 50 Гц и 60 Гц). В нем используются традиционные кремниевые переключатели, которые в основном отвечают за выпрямление входного напряжения. Вторая ветвь, называемая быстрой ветвью (Q1 и Q2), в основном формирует ток при одновременном повышении напряжения, и эта ветвь должна переключаться на чрезвычайно высокой частоте (~ 100 кГц). Коммутация высокой мощности с более высокими частотами создает большую тепловую и электрическую нагрузку на переключатели, и преобразователи должны использовать широкозонную зону. Полупроводниковое устройства, такие как SiC и GaN МОП-транзисторы работать безопасно и эффективно.

Эта топология обычно улучшает производительность по сравнению с повышающим преобразователем с чередованием. Но дополнительные активные переключатели усложняют управление схема, проблема, которую часто можно решить с помощью встроенного контроллера тотемного столба.

Ступенчатый тотемный столб PFC

Чтобы повысить эффективность безмостового ККМ с тотемным полюсом, можно добавить дополнительные высокочастотные ответвления для создания ККМ со смещенным тотемным полюсом. Эта дополнительная ветвь снижает пульсации выходного напряжения преобразователя и равномерно распределяет потребляемую преобразователем мощность по всем ветвям, сводя к минимуму размер компоновки и общую стоимость.

Рисунок 3: Схема ККМ тотемного столба с чередованием без мостов.

Сравнительный экспериментальный дизайн топологий PFC

Чтобы сравнить топологии в разных случаях, мы разработали серию имитационных моделей для двух уровней мощности. Те же технические характеристики системы также использовались для сравнения результатов (см. Таблицу 1).

Таблица 1: Технические характеристики системы

Ключевые параметры, определенные для сравнения топологии, описаны ниже.

Пульсация входного тока (ΔIIN): ΔIIN представляет величину изменения входного тока, полученную путем измерения разницы между максимальным и минимальным значениями входного тока в течение одного цикла переключения. ΔIIN рассчитывается по уравнению (1):

Полное гармоническое искажение тока (THDI): THDI получается путем измерения гармонического искажения, присутствующего во входном токе без фильтра. THDI можно оценить с помощью уравнения (2):

Индекс индуктивной энергии (IEI) и Индекс емкостной энергии (CEI): Эти индексы предоставляют информацию о требованиях к индуктивности и емкости преобразователя на единицу мощности (см. уравнения 3 и 4), которые тесно связаны с окончательным размером и стоимостью компонента. . ИЭИ можно рассчитать по формуле (3):

CEI можно оценить с помощью уравнения (4):

Общий индекс коммутируемой мощности (TSP): TSP сравнивает напряжение и токовую нагрузку на силовой элемент (аналогично эквивалентной площади кремния) преобразователя. полупроводник устройство. TSP тесно связана с конечной стоимостью кремниевого устройства в преобразователе. TSP можно рассчитать с помощью уравнения (5):

Эффективность (ƞ): Эффективность (ƞ): Эффективность используется для сравнения потерь энергии в схемах коррекции коэффициента мощности. Эффективность может быть получена путем расчета соотношения между входной мощностью, потребляемой схемой, и мощностью, доступной на выходе (см. уравнение 5). Он определяет топологию с наименьшим энергопотреблением. Эффективность можно оценить с помощью уравнения (6):

Результаты сравнения Totem Pole PFC и Interleaved Boost PFC

Первый тест имитирует все три топологии для приложения мощностью 300 Вт, уровень мощности которого обычно используется для компьютерных блоков питания. Во втором тесте моделировалась топология приложения мощностью 3 кВт, что является высоким уровнем мощности, обычно используемым в таких приложениях, как зарядка электромобилей.

Общие характеристики каждой топологии могут быть получены путем сравнения топологий. Однако производительность этих конструкций сильно зависит от выбранного устройства и его рабочих параметров. Поэтому дизайнеры должны тщательно продумывать, рационально выбирать дизайн и тщательно оптимизировать его для приложения. Чтобы проиллюстрировать это, мы анализируем потери мощности, учитывая только потери в устройствах, аналогичные устройства можно использовать для всех топологий.

Силовые преимущества Totem Pole PFC

Первый ключевой вывод сравнения топологии заключается в том, что тотемный PFC не содержит выпрямительного моста, что уменьшает количество коммутационных устройств. Диодный мост в повышающем преобразователе всегда включен, поэтому потери проводимости являются ключевым фактором, влияющим на эффективность этой топологии. При малой мощности ток в преобразователе относительно невелик, поэтому большая часть рассеиваемой мощности приходится на операции переключения. Вот почему топологии Boost и Totempole PFC имеют одинаковую эффективность в приложениях мощностью 300 Вт (см. рис. 4). Потери в обычных схемах и схемах с тотемным полюсом не сильно отличаются, и для простоты мы сравним эффективность повышающего преобразователя с чередованием и преобразователя с тотемным полюсом.

Рис. 4. Потери мощности в конструкции мощностью 300 Вт

При работе на мощности 3кВт ток в цепи значительно возрастает, а в повышающей топологии возникают значительные потери проводимости из-за высокого эквивалентного сопротивления диодов выпрямителя. Следовательно, в приложениях с высокой мощностью тотемные PFC намного эффективнее (см. рис. 5).

Рисунок 5: Потери мощности в конструкции мощностью 3 кВт

Повышение эффективности для чередующихся топологий повышения мощности и тотемного полюса PFC

Еще одним ключевым моментом в сравнении топологий ККМ с форсированием и тотемным полюсом является сравнение режимов работы. Топологии с тотемным полюсом обычно работают в режиме непрерывной проводимости (CCM), тогда как топологии с чередующимся усилением работают в режиме критической проводимости (CrCM). Работа CCM может значительно снизить Индуктор пульсации тока и THDI, в то время как CrCM приводит к более низкому показателю индуктивной энергии (IEI) из-за меньшей требуемой индуктивности (см. рис. 6).

Рисунок 6: Результаты моделирования входного тока

Однако повышенный коэффициент гармонических искажений означает, что для повышения коэффициента мощности требуется входной фильтр большего размера для удовлетворения требований к качеству электроэнергии, что уменьшает преимущества устранения необходимости в Индуктор, такие как снижение стоимости и размера. Кроме того, ток переключения в CrCM намного больше, чем в CCM, что увеличивает нагрузку по напряжению и току на переключающем элементе (см. рис. 7).

Рисунок 7: Результаты моделирования тока, протекающего через индуктор

Параллельное подключение нескольких преобразователей может распределять текущую нагрузку по нескольким фазам, повышая производительность. Сама по себе эффективность и производительность одного повышающего преобразователя без чередования не может сравниться с ККМ с тотемным полюсом. Но, чередуя несколько повышающих преобразователей, производительность может быть значительно улучшена. Таким образом, топология с чередующимся усилением является допустимым выбором для приложений средней мощности, таких как упомянутый выше пример 300 Вт (см. рис. 8).

Однако при высокой мощности эффективность повышающего преобразователя с чередованием трудно согласовать с топологией тотемного полюса. Кроме того, для приложений мощностью 3 кВт и выше даже преобразователи с тотемным полюсом могут выиграть от чередующихся соединений. Чередующееся соединение делит ток между двумя ветвями, тем самым вдвое уменьшая индуктивность каждой ветви, что снижает требования к переключению мощности, а также уменьшает пульсации входного тока.

Рисунок 8: Ток дросселя в повышающем ККМ с чередованием

В таблице 2 приведены различные параметры трех топологий PFC.

Таблица 2: Результаты моделирования сравнения топологии PFC

Эта статья иллюстрирует ключевые характеристики топологий ККМ с чередованием форсирования, тотемного столба и тотемного столба с чередованием посредством моделирования и сравнения ключевых параметров, чтобы помочь разработчикам выбрать наилучшую топологию для своего приложения.

Простота топологии Boost PFC делает ее предпочтительным решением для большинства разработчиков. Однако повышающие ККМ менее эффективны в приложениях с большой мощностью, поэтому в этом случае топология ККМ с тотемным полюсом может быть предпочтительнее, несмотря на дополнительную сложность. Кроме того, введение встроенного контроллера тотемного полюса, такого как MPF32010, может значительно упростить реализацию преобразователей коэффициента мощности с тотемным полюсом.

Capability of Totem Pole PFC on RX

The RX Family RX-T series is mainly adopted in outdoor units of air conditioning equipment and industrial inverters. Nonetheless, with its features well-suited for power control, such as AC-DC converters, it’s seeing growing adoption in power control applications like Uninterruptible Power Supplies (UPS), power converters, and Electric Vehicle (EV) chargers.

The Totem Pole Interleaved Power Factor Correction (PFC) I introduce today is a topology that realizes the AC-DC converter function, which is essential for various electronic devices to convert AC power into DC power. This topology can significantly boost efficiency (typically reducing losses by about 40%) compared to a typical PFC circuit that employs a conventional rectifier circuit + chopper circuit using a diode bridge.

While dedicated products could be used, the built-in features of the RX-T series, as shown in “Built-in Peripherals of RX-T Series for Totem Pole Interleaved PFC Control” below, like PWM timers and analog circuits, enable control of Totem Pole Interleaved PFC by a single MCU. These features are ideal not only for inverter control but also for converter control, including AC-DC conversions. The MCU-based control offers numerous benefits compared to a dedicated IC-based one, including precise protection through software control, the flexibility of control, and communication with other ICs via SCI, etc. making it highly compatible with system control, one of its distinct features.

The MCU used to control the Totem Pole Interleaved PFC introduced this time is the RX family RX-T series RX66T Group, but it can also be implemented with the RX26T and others that have the following functions (common functions of the RX family).

Built-in Peripherals of RX-T Series for Totem Pole Interleaved PFC Control

1. PWM Output Timer (MTU3, GPT)
2. 12-bit A/D Converter (S12AD)
3. Port Output Enable (for emergency stop of PWM output) (POE3)
4. Comparator (for overcurrent detection) (CMPC)
5. 12-bit D/A Converter (for comparator reference voltage) (R12DA)

The Totem Pole Interleaved PFC is controlled by these functions as follows.

Configuration of Totem Pole Interleaved PFC Control

The PWM output timer controls switching devices Q1/Q2, Q3/Q4, and Q5/Q6 with complementary PWM. The 12-bit A/D converter is used for current/voltage detection in feedback control. Overcurrent, which is fail-safe control, is configured to instantly stop driving Q1 to Q6 using the port output enable (POE3). The input of POE3 is the comparator and 12-bit D/A converter.

As a result, it is possible to achieve a maximum power efficiency of over 95% and a power factor of over 99%, which exhibits the same performance as dedicated products. In addition, while we use common IGBT + diodes as power semiconductors to configure Q1 to Q6, further efficiency improvement can be expected by using high-speed switching SiC devices, etc.

With NTC Thermistors:

Input Voltage (Vrms)	Input Power (W)	Output Power (W)	Power Factor (%)	Efficiency (%)
225.27	311.7	294.7	99.61	94.55
225.63	165.8	155.7	99.00	93.9
105.74	173.5	155.7	99.94	89.74

Without NTC Thermistors:

Input Voltage (Vrms)	Input Power (W)	Output Power (W)	Power Factor (%)	Efficiency (%)
227.2	307.8	294.2	99.61	95.58
105.77	169.1	155.5	99.88	91.96

In the response test results (a test in which the load is changed from 0% to 100% and 50% to 100% by a DC breaker), the voltage is kept constant by feedback controlling the load fluctuation, meaning it functions properly as an AC-DC converter.

This time, I have introduced the feasibility of power control (Totem Pole Interleaved PFC) by MCU as an application of inverter control. In addition to dedicated products like AC-DC PFC ICs, our MCUs offering high compatibility with system control expand the options available, enabling our customers to select the most proper solution for their application. We are committed to delivering high-quality products that meet our customer’s needs, thereby facilitating innovation in their products. Please stay tuned for further advancements in the Renesas RX family.

• For more details on the Totem Pole Interleaved PFC introduced this time, please refer to the Digital Power Conversion (Totem Pole Interleaved PFC) Application Note (R01AN6877).
• For the general system configuration of the Totem Pole PFC, please refer to the Winning Combination.
• For detailed information about RX66T, please refer to the RX66T Product Page.

Totem pole pfc что это

The continued rise in demand for higher power density and ever more efficient power conversion had driven the continued innovation in wide-bandgap (WBG) semiconductor technology. WBG diodes and transistors have enabled totem-pole bridgeless power factor correction to become the dominant solution for many applications, in particular energy storage systems (ESS), electric vehicle charging and uninterruptable power supplies (UPS). This topology can also offer bidirectional operation, enabling power to be transmitted to and from the grid without affecting efficiency.

Block diagram

Products — Power

• GaN FET: 650 V
• SiC diode: 650-1200 V, DPAK / D²PAK / TO247
• P/N rectifier diodes: 650 V, CFP

Design challenges

• Totem-pole topology can achieve a power factor of 0.99
• High efficiency, high power factor, and low cost
• T1 and T2 could either be replaced by a PN diode or SiC (depending on voltage output) to be more cost effective.
• Alternatively they can be replaced by GaN FETs for more efficiency, with less switching losses and lower thermal dissipation

UM90003: 4 kW Bridgeless Totem-pole PFC evaluation board

The NXTTP4000W066 evaluation board is a bridgeless totem-pole Power-Factor-Correction (PFC) circuit. Using Nexperia power GaN FETs a very high-efficiency single-phase AC-DC converter is realized by using a diode-free power GaN FET bridge.

MOSFET and GaN FET Handbook

Drawing on over 20 years’ of experience, the MOSFET and GaN FET Application Handbook: A Power Design Engineer’s Guide brings together a comprehensive set of learning and reference materials relating to the use of MOSFETs and GaN FETs in real world systems.

Сравнение топологии PFC: топология Interleaved Boost и топология Totem Pole

[Введение]Электронный оборудование все чаще подключается к сети, что увеличивает вероятность искажения сети и делает распределительную сеть подверженной проблемам. Чтобы решить эти проблемы, в конструкции источников питания требуются усовершенствованные схемы коррекции коэффициента мощности (PFC), чтобы соответствовать строгим стандартам коэффициента мощности (PF).

Наиболее часто используемой топологией для коррекции коэффициента мощности является повышающая коррекция коэффициента мощности, но появление полупроводников с широкой запрещенной зоной (WBG), таких как GaN и SiC, привело к реализации безмостовых топологий, таких как тотемно-полюсная коррекция коэффициента мощности. упрощает управление сложными конструкциями, такими как PFC с чередованием тотемных столбов. В этой статье сравнивается использование трех топологий в различных приложениях, включая повышающий ККМ с чередованием, ККМ с тотемным полюсом без моста и ККМ с тотемным полюсом с чередованием.

Чередующийся повышающий PFC

Чередующаяся повышающая коррекция коэффициента мощности является наиболее распространенной топологией коррекции коэффициента мощности. Эта топология включает в себя повышение Преобразователь (см. рис. 1) в дополнение к использованию выпрямительного диодного моста для преобразования переменного напряжение к напряжению постоянного тока. Повышающий преобразователь повышает напряжение до более высокого значения, что уменьшает пульсации выходного напряжения, при этом ток преобразуется в синусоиду.

Рис. 1. Схема ККМ с форсированием с чередованием.

Коррекция коэффициента мощности может быть достигнута только с одним повышающим преобразователем, но разработчики часто используют два или более параллельных преобразователя, которые сдвинуты по фазе друг относительно друга. Это чередующееся соединение повышает эффективность при одновременном снижении пульсаций входного тока.

Тотемный столб без моста PFC

Применение новых полупроводник материалы, особенно карбид кремния (SiC), для силовых выключателей могут позволить конструкции, которые ранее были невозможны из-за тепловых и электрических свойств кремния. Одной из них является безмостовая топология с тотемным полюсом, которая объединяет каскады выпрямления и повышения и обеспечивает две коммутационные ветви, работающие на разных частотах (см. рис. 2).

Рисунок 2: Схема безмостового тотемного PFC.

Первая ветвь, называемая медленной ветвью (SD1 и SD2), коммутирует на частоте сети (например, между 50 Гц и 60 Гц). В нем используются традиционные кремниевые переключатели, которые в основном отвечают за выпрямление входного напряжения. Вторая ветвь, называемая быстрой ветвью (Q1 и Q2), в основном формирует ток при одновременном повышении напряжения, и эта ветвь должна переключаться на чрезвычайно высокой частоте (

100 кГц). Коммутация высокой мощности с более высокими частотами создает большую тепловую и электрическую нагрузку на переключатели, и преобразователи должны использовать широкозонную зону. Полупроводниковое устройства, такие как SiC и GaN МОП-транзисторы работать безопасно и эффективно.

Эта топология обычно улучшает производительность по сравнению с повышающим преобразователем с чередованием. Но дополнительные активные переключатели усложняют управление схема, проблема, которую часто можно решить с помощью встроенного контроллера тотемного столба.

Ступенчатый тотемный столб PFC

Чтобы повысить эффективность безмостового ККМ с тотемным полюсом, можно добавить дополнительные высокочастотные ответвления для создания ККМ со смещенным тотемным полюсом. Эта дополнительная ветвь снижает пульсации выходного напряжения преобразователя и равномерно распределяет потребляемую преобразователем мощность по всем ветвям, сводя к минимуму размер компоновки и общую стоимость.

Рисунок 3: Схема ККМ тотемного столба с чередованием без мостов.

Сравнительный экспериментальный дизайн топологий PFC

Чтобы сравнить топологии в разных случаях, мы разработали серию имитационных моделей для двух уровней мощности. Те же технические характеристики системы также использовались для сравнения результатов (см. Таблицу 1).

Таблица 1: Технические характеристики системы

Ключевые параметры, определенные для сравнения топологии, описаны ниже.

Пульсация входного тока (ΔIIN): ΔIIN представляет величину изменения входного тока, полученную путем измерения разницы между максимальным и минимальным значениями входного тока в течение одного цикла переключения. ΔIIN рассчитывается по уравнению (1):

Полное гармоническое искажение тока (THDI): THDI получается путем измерения гармонического искажения, присутствующего во входном токе без фильтра. THDI можно оценить с помощью уравнения (2):

Индекс индуктивной энергии (IEI) и Индекс емкостной энергии (CEI): Эти индексы предоставляют информацию о требованиях к индуктивности и емкости преобразователя на единицу мощности (см. уравнения 3 и 4), которые тесно связаны с окончательным размером и стоимостью компонента. . ИЭИ можно рассчитать по формуле (3):

CEI можно оценить с помощью уравнения (4):

Общий индекс мощности переключения (TSP): TSP сравнивает нагрузку по напряжению и току на силовую ячейку (аналогично эквивалентной площади кремния) полупроводникового преобразователя. TSP тесно связана с конечной стоимостью кремниевого устройства в преобразователе. TSP можно рассчитать с помощью уравнения (5):

Эффективность (ƞ): Эффективность (ƞ): Эффективность используется для сравнения потерь энергии в схемах коррекции коэффициента мощности. Эффективность может быть получена путем расчета соотношения между входной мощностью, потребляемой схемой, и мощностью, доступной на выходе (см. уравнение 5). Он определяет топологию с наименьшим энергопотреблением. Эффективность можно оценить с помощью уравнения (6):

Результаты сравнения Totem Pole PFC и Interleaved Boost PFC

Первый тест имитирует все три топологии для приложения мощностью 300 Вт, уровень мощности которого обычно используется для компьютерных блоков питания. Во втором тесте моделировалась топология приложения мощностью 3 кВт, что является высоким уровнем мощности, обычно используемым в таких приложениях, как зарядка электромобилей.

Общие характеристики каждой топологии могут быть получены путем сравнения топологий. Однако производительность этих конструкций сильно зависит от выбранного устройства и его рабочих параметров. Поэтому дизайнеры должны тщательно продумывать, рационально выбирать дизайн и тщательно оптимизировать его для приложения. Чтобы проиллюстрировать это, мы анализируем потери мощности, учитывая только потери в устройствах, аналогичные устройства можно использовать для всех топологий.

Силовые преимущества Totem Pole PFC

Первый ключевой вывод сравнения топологии заключается в том, что тотемный PFC не содержит выпрямительного моста, что уменьшает количество коммутационных устройств. Диодный мост в повышающем преобразователе всегда включен, поэтому потери проводимости являются ключевым фактором, влияющим на эффективность этой топологии. При малой мощности ток в преобразователе относительно невелик, поэтому большая часть рассеиваемой мощности приходится на операции переключения. Вот почему топологии Boost и Totempole PFC имеют одинаковую эффективность в приложениях мощностью 300 Вт (см. рис. 4). Потери в обычных схемах и схемах с тотемным полюсом не сильно отличаются, и для простоты мы сравним эффективность повышающего преобразователя с чередованием и преобразователя с тотемным полюсом.

Рис. 4. Потери мощности в конструкции мощностью 300 Вт

При работе на мощности 3кВт ток в цепи значительно возрастает, а в повышающей топологии возникают значительные потери проводимости из-за высокого эквивалентного сопротивления диодов выпрямителя. Следовательно, в приложениях с высокой мощностью тотемные PFC намного эффективнее (см. рис. 5).

Рисунок 5: Потери мощности в конструкции мощностью 3 кВт

Повышение эффективности для чередующихся топологий повышения мощности и тотемного полюса PFC

Еще одним ключевым моментом в сравнении топологий ККМ с форсированием и тотемным полюсом является сравнение режимов работы. Топологии с тотемным полюсом обычно работают в режиме непрерывной проводимости (CCM), тогда как топологии с чередующимся усилением работают в режиме критической проводимости (CrCM). Работа CCM может значительно снизить Индуктор пульсации тока и THDI, в то время как CrCM приводит к более низкому показателю индуктивной энергии (IEI) из-за меньшей требуемой индуктивности (см. рис. 6).

Рисунок 6: Результаты моделирования входного тока

Однако повышенный коэффициент гармонических искажений означает, что для повышения коэффициента мощности требуется входной фильтр большего размера для удовлетворения требований к качеству электроэнергии, что уменьшает преимущества устранения необходимости в Индуктор, такие как снижение стоимости и размера. Кроме того, ток переключения в CrCM намного больше, чем в CCM, что увеличивает нагрузку по напряжению и току на переключающем элементе (см. рис. 7).

Рисунок 7: Результаты моделирования тока, протекающего через индуктор

Параллельное подключение нескольких преобразователей может распределять текущую нагрузку по нескольким фазам, повышая производительность. Сама по себе эффективность и производительность одного повышающего преобразователя без чередования не может сравниться с ККМ с тотемным полюсом. Но, чередуя несколько повышающих преобразователей, производительность может быть значительно улучшена. Таким образом, топология с чередующимся усилением является допустимым выбором для приложений средней мощности, таких как упомянутый выше пример 300 Вт (см. рис. 8).

Однако при высокой мощности эффективность повышающего преобразователя с чередованием трудно согласовать с топологией тотемного полюса. Кроме того, для приложений мощностью 3 кВт и выше даже преобразователи с тотемным полюсом могут выиграть от чередующихся соединений. Чередующееся соединение делит ток между двумя ветвями, тем самым вдвое уменьшая индуктивность каждой ветви, что снижает требования к переключению мощности, а также уменьшает пульсации входного тока.

Рисунок 8: Ток дросселя в повышающем ККМ с чередованием

В таблице 2 приведены различные параметры трех топологий PFC.

Таблица 2: Результаты моделирования сравнения топологии PFC

Эта статья иллюстрирует ключевые характеристики топологий ККМ с чередованием форсирования, тотемного столба и тотемного столба с чередованием посредством моделирования и сравнения ключевых параметров, чтобы помочь разработчикам выбрать наилучшую топологию для своего приложения.

Простота топологии Boost PFC делает ее предпочтительным решением для большинства разработчиков. Однако повышающие ККМ менее эффективны в приложениях с большой мощностью, поэтому в этом случае топология ККМ с тотемным полюсом может быть предпочтительнее, несмотря на дополнительную сложность. Кроме того, введение встроенного контроллера тотемного полюса, такого как MPF32010, может значительно упростить реализацию преобразователей коэффициента мощности с тотемным полюсом.

Компоненты поиска

О нас

Shunlongwei Co. Ltd — дистрибьютор электронных компонентов, продающий ЖК-дисплеи NEC / Sharp / AUO / Samsung / Hitachi; И Infineon / Toshiba / Mitsubishi IGBT.

Digital-Controlled Totem-Pole PFC for Next-Gen Power Systems

The pace and scope of the change overtaking the industry shows no signs of stopping. From advanced robotics, to medical wearables, to the smart grid, the amount of functionality presented to the public today is extraordinary. However, all that functionality needs power.

Power is behind everything in our modern society. Regardless of the core technology, electronic products require electricity to function. It may sound like a tautology, but nothing happens unless you can move electrons around. If it doesn’t have a charge moving around somewhere, it’s a mechanical device.

Artificial Intelligence, Cloud-based IoT, next-gen RF technologies, self-driving EVs, and other advanced solutions have significantly increased the overall global demand for electrical power. This in turn, drives power engineers and architects to extend existing power technology boundaries to achieve ever higher system efficiencies, faster response times, and more robust and reliable solutions.

The plethora of proposed solutions to address power efficiency created disruption in many ways, one of them being the need for standards and regulations. Without agreed-upon benchmarks, it is easy for different companies to claim different benefits out of context to the engineer. Only by ensuring that the lines on everyone’s ruler are the same distance apart can we ensure an open and level development environment.

Addressing power efficiency

In the telecom, data center, and industrial power space, the 80 Plus Titanium efficiency level specification was developed to address power conversion electronics. It specifies over 80% energy efficiency at 20%, 50%, and 100% of rated load, and a power factor of 0.9 or greater at 100% load. The Energy-Star 80 PLUS efficiency specification (introduced in 2007) adds higher efficiency levels for AC-DC supplies from Gold to Platinum and on to the Titanium level.

Other efforts include the Storage Networking Industry Association (SNIA) and their Emerald Power Efficiency Measurement Specification. The specification identifies the metrics by which energy consumption and efficiency of storage networking products can be measured.

Beyond topology innovations, power semiconductor advances have also provided solutions to address power electronics efficiency. Fast-switching wide-bandgap Silicon Carbide (SiC) or Gallium Nitride (GaN) power devices have revolutionized the industry. These new solutions must be properly integrated and optimized for maximum utility, efficiency, and reliability.

In addition, high bandwidth isolated single-chip current sensors in bridgeless Power Factor Correction (PFC) and DC-DC converters can enable use of fast switching wide-bandgap power devices to help improve efficiency and thermal management, reducing both size and component count to simplify PCB circuits as well. This complementary mix of solutions must be properly integrated to address the application in the most cost-effective manner.

Power System Considerations

Efficiency and power density directly impact the size and thermal management requirements of a switch mode power supply.

To meet the 80 Plus Titanium standard, the design must demonstrate 96% Titanium peak efficiency, meaning the target efficiency of Power Factor Correction (PFC) circuit efficiency should be 98.5% under both 115V and 230V input conditions with an overall efficiency of 96%. In order to achieve that goal, one of the most suitable topologies is a bridgeless PFC circuit, which does not require a full-wave AC rectifier bridge, thereby reducing related conduction losses.

There are two types of bridgeless PFC designs: Bridgeless PFC and Totem Pole PFC (Figures 1A and 1B). Compared to bridgeless PFC, Totem Pole PFC removes the input bridge rectifier and uses a MOSFET to replace the rectifying diode for improved efficiency.

Click image to enlarge

Figure 1a: Bridgeless PFC

Click image to enlarge

Figure 1b: Totem Pole PFC

There is a reason why a SiC-based MOSFET is needed in a Totem-Pole PFC design. As Figure 2 shows, a Totem Pole PFC can be considered as a synchronous-rectification boost DC-DC converter. In such systems, a big problem is the reverse-recovery charge of the MOSFET body-diode, if the converter works in CCM (Continuous Conduction Mode) condition. This means that the Totem Pole PFC can only work in DCM (Discontinuous Conduction Mode) or BCM (Boundary Conduction Mode) mode, with a traditional Si-MOSFET.

Each approach has its challenges. A DCM PFC can only support low-power applications, for example. In a BCM PFC, the frequency varies widely, and the peak current will be 2 times of a CCM PFC, which increases the difficulty of EMI filter design and efficiency optimization. By using wide-bandgap SiC- and GaN-based power switches, Totem Pole PFC designs can successfully operate in CCM mode to provide higher efficiency and power.

Considering a design of 3.3kW Totem-pole architecture based on SiC MOSFETs, magnetic current sensing, and CCM control, we chose a model C3M0065090K SiC MOSFET from Wolfspeed as the high-frequency switches, and a IXFH80N65X2 device from IXYS for the low-frequency side. The choice of a SiC MOSFET over a GaN MOSFET was made because SiC provides the higher breakdown voltage needed.

Using a SiC MOSFET can dramatically reduce the reverse-recovery loss, enabling the Totem-Pole PFC to work in CCM mode to support higher power levels. Silicon MOSFETs also provide different amounts of body-diode loss. Table 2 compares the amounts of reverse-recovery loss between a Si-based MOSFET and SiC MOSFET, showing the SiC device dramatically reduces both body-Diode and reverse-recovery loss.

Click image to enlarge

Table 2: Body-Diode loss comparisons

Positive Half Line Cycle Operation

The positive half line cycle operation of the totem-pole PFC is shown in Figure 2. Q1 and Q2 are fast-switching SiC MOSFET devices operating at high carrier frequency, and Q3 and Q4 are traditional lower speed Silicon MOSFET devices operating at 50 or 60Hz. There are only two semiconductor devices in the current path in totem-pole PFC.

In positive half line cycle operations, Q1 acts as main switch and Q2 acts as a synchronous-rectifier MOSFET, where Q3 is always on and acts as a resistor. When Q1 is on, the ac source stores energy in the inductor, and the output capacitor supports the load current. When Q1 is off and Q2 is on, the ac source and the energy in inductor support the output current and charge the output capacitor.

Click image to enlarge

Figure 2a: Q1 and Q3 on

Click image to enlarge

Figure 2b: Q2 and Q3 on

Negative Half Line Cycle Operation

The negative half line cycle operation of the totem-pole PFC is shown in Figure 3. Again, there are only two semiconductor devices in the current path. In the negative half line cycle, Q2 acts as the main switch, and Q1 acts as a synchronous-rectifier MOSFET. Q4 is always on and acts as a resistor.

When Q2 is on, the ac source stores energy in the inductor, and the output capacitor supports the load current. When Q2 is off and Q1 is on, the ac source and energy in the inductor supports the output current and charges the output capacitor.

Click image to enlarge

Figure 3a: Q2 and Q4 on

Click image to enlarge

Figure 3b: Q1 and Q4 on

In PFC applications, average current-mode control is often used because it is simple and accurate. For average current mode control, average inductor current is required for the current control loop. For traditional PFC designs, a shunt is usually placed in the ground line to sense current, as shown in figure 4a. A shunt resistor is used to sense the input current, and an amplifier is used to get different gain. In a Totem-Pole PFC design, there is no ground line and the circuit can’t sample the current.

There are several methods to sample the inductor current in a Totem Pole PFC. A Current Transformer (CT), as shown in figure 4b, a shunt resistor with an Op-amp and isolator, as shown in figure 4c, magnetic current-sensor modules, or ICs, as shown in figure 4d.

Click image to enlarge

Figure 4a: Traditional PFC current sensor

Click image to enlarge

Figure 4b: Current Transformer (CT)

Click image to enlarge

Figure 4c: Shunt resistor with Opamp and isolator

Click image to enlarge

Figure 4d: Magnetic current sensor module or IC based on Hall Effect or AMR sensor

A current transformer (CT) can be used to sample the inductor current. Since they can only work in AC, they are better for high frequency designs. To sense switching current, three CTs are needed to sample and integrate the inductor currents in positive and negative cycle through MOSFET and rectifier. Figure 4b shows how CTs provide measurement isolation.

Although separate isolated power is not needed for CTs, the circuit requires three CTs to reconstruct the line current. CTs also suffer from linearity and hysteresis impact over temperature. Other challenges are that using three CTs increases costs and takes up more space.

Another method is to insert a current shunt in series with inductor as shown in figure 4c. This approach requires an op-amp, an isolator, and a separate isolated power supply with multiple passive components around the isolator and op-amp. The circuit design is complex and needs more physical space. Additionally, for higher current applications, using accurate low value resistors to minimize power dissipations are also costly. Further, output response time is limited due to opto-isolator and op-amp on signal path. The combined output step response time can easily be over 1us.

Non isolated current measurement using shunt with an op-amp (without an isolator), typically used in the ground return of traditional PFC, shown in Figure 4a, is not suitable for Totem Pole PFC, which requires isolated current measurements.

An isolated magnetic current sensor module or IC with Hall Effect or AMR magnetic field sensors is an effective and popular method of current sensing. These magnetic current sensors provide the required isolation and do not need separate isolated power supplies. The typical sensor location is shown in figure 4d.

There are two major challenges in dealing with magnetic current sensors. The limited bandwidth of magnetic current sensors is one. The traditional Hall-Effect-based sensor has typically a 120kHz bandwidth, with up to 3db of distortion at 120kHz. Although it can be used for 50Hz PFC current, its slow output response time, related to bandwidth, can’t support peak and overcurrent protection.

For fast-switching current situations, it will cause delay for peak current protection. In practical applications, current measurement is typically done cycle-by-cycle at the middle of the switching PWM pulses. For this, the current sensor needs to support the higher bandwidth needed for measuring current at a high switching frequency in SiC- or GaN-based Totem Pole PFC circuits.

Current sensor modules using ferrite cores need to be accurate, with high bandwidth, low phase delay, and fast output response time, for measurement and protection. Typically high bandwidth and accurate current sensor modules are not only bulkier but costlier as well. The size of current sensor modules impacts the space needed, the power density, and the cost of the PFC solution.

In this design, a high accuracy 4.8kV isolated current sensor IC (MCA1101-50-5) from ACEINNA was chosen to sample the inductor current. This +/-50A current sensor IC with 0.6% typical accuracy, 1.5 MHz bandwidth, and output response time of 300ns can fully meet the high frequency cycle-by-cycle current sample measurement and protection requirements in this design@3.

The device offers reinforced isolation and meets UL60950 with no additional isolated power supply. A typical application circuit is shown in Figure 4e. If the internal Overcurrent Detection (OCD) function is not used, only decoupling capacitors are needed, further simplifying the circuit as shown in Figure 4f.

Click image to enlarge

Figure 4e: MCA1101 application circuit with OCP function

Click image to enlarge

Figure 4f: MCA1101 application circuit without OCP function

The MCA1101 current sensor IC provides an accurate 0A-reference voltage output pin, which helps to calibrate out 0A offset in the system. The Overcurrent Detection (OCD) threshold can be set on the IC and fault flag pinout can interface with MCU, to trigger the over current protection in the software. This single-chip current sensor solution is in a space-saving package, shown in Figure 5a and 5b.

The MCA1101 provides many advantages for a Totem-Pole PFC application. These include high accuracy over temperature, high bandwidth, fast response, single power supply, reinforced isolation, programmable OCD voltage and fault pin to provide current information to MCU. All of these merits make the AMR based current sensor chip to be an attractive solution.

Click image to enlarge

Figure 5a: MCA1101 current sensor IC

Click image to enlarge

Figure 5b: Inside of MCA1101

Addressing cost effectiveness and standards such as the 80 Plus Titanium and SNIA Emerald Power Measurement specifications requires getting the most out of the existing solutions available. Material and component advances such as wide-bandgap semiconductors and isolated single-chip current sensors can empower efficient topologies like bridgeless Totem-Pole PFC. Use of these technologies will enable higher power densities in smaller footprints, with improved efficiency and thermal management.

Click image to enlarge

Figure 6: Tiny current sensors are essential for the correct operation of power supplies found in a wide range of applications

The growing energy demands of the latest application solutions requires the most efficient and cost-effective power electronics. Understanding the latest core technologies created to address these needs, and how they can be best integrated, will go far towards ensuring the success of your next design.

Totem pole pfc что это

Важнейшими элементами силовых цепей являются полевые транзисторы. Представляем обзор трех семейств полевых транзисторов производства компании Infineon: кремниевых полевых транзисторов CoolMOS, карбид-кремниевых транзисторов CoolSiC и галлий-нитридных транзисторов CoolGaN.

Компания Infineon в течение последних двадцати лет активно развивает три технологии изготовления полевых транзисторов: CoolMOS, CoolSiC, и CoolGaN. Важнейшим показателем эффективности полевого транзистора является максимальная величина сопротивления «сток-исток» открытого канала на единицу тока: R_{DS(on), max} × A. Над уменьшением этой величины и, соответственно, над увеличением эффективности транзистора работают ученые и специалисты отрасли в течение нескольких последних десятилетий. На рисунке 1 представлено сравнение данного параметра для разных технологий изготовления полевых транзисторов.

Рис. 1. Сравнительная характеристика сопротивления «сток-исток» открытого канала

Транзисторы CoolMOS C3, разработанные почти 20 лет назад, обладали удельным сопротивлением R_DS(on) × A порядка 3 Ом на мм 2 . По мере развития технологии эта величина уменьшалась, и для поколения CoolMOS C7 достигла 0,8 Ом × мм 2 . Согласно исследованиям, проведенным D.Disney & J.Dolny в 2008 году, пределом технологии CoolMOS является величина сопротивления R_DS(on) = 0,5 Ом × мм 2 . Однако современные исследования показывают, что с помощью новых прогрессивных технологий можно значительно уменьшить величину этого сопротивления. Так, с помощью технологий GaN и SiC MOSFET можно получить очень малые значения R_DS(on), потенциально меньше 0,01 Ом × мм 2 .

Сравнение технологий

В таблице 1 показаны сравнительные характеристики, позволяющие оценить основные качества трех вышеупомянутых технологий

Таблица 1. Сравнительные характеристики технологий CoolMOS, CoolGaN, CoolSiC

Устройство	V(BR)DSS, В	RDS(on), тип., Ом	RDS(on) × Qoss, мОм × мкКл	RDS(on) × Qrr, мОм × мкКл	RDS(on) × Eoss, мОм × мкДж	RDS(on) × Qg, мОм × нКл	VF @ 15A, В
CoolMOS™ C7	600	52	18,3	312	421	3536	0,85
CoolMOS™ CFD7	600	57	19	32,5	439	3819	1
CoolGaN™ Gen1	600	55	2,3	0	352	226	2,7/7,7
CoolSiC™ Gen1	650	50	3,9	5	582	1500	4

Для того чтобы сравнение было объективным, выбраны транзисторы с похожими рабочими напряжениями V_(BR)DSS и сопротивлениями R_DS(on).

Величина R_DS(on) × Q_oss позволяет оценить мертвое время и резонансный ток, а также возможность применения устройства в высокочастотных цепях, что важно для увеличения эффективности дизайна.

R_DS(on) × Q_rr показывает возможность использования устройства в высоконагруженных цепях с повторяющимися коммутациями, таких как выходные двухтранзисторные каскады в режимах непрерывной проводимости.

R_DS(on) * E_oss является хорошим критерием оценки потерь на переключение в высоконагруженных цепях, которыми являются все режимы непрерывной проводимости.

R_DS(on) × Q_g позволяет оценить потери в цепях управления транзистором.

V_F – прямое напряжение, которое показывает эффективность внутреннего диода в кремниевом и карбид-кремниевом устройствах и перепада напряжения галлий-нитридных устройств в периоды мертвого времени. Мертвое время оказывает значительное влияние на общую эффективность системы.

Для транзисторов CoolMOS и CoolSiC используются стандартные цепи управления, однако в случае устройств CoolSiC необходимо учитывать, что сопротивление R_DS(on) изменяется в соответствии с напряжением «затвор-исток». Чем выше это напряжение, тем ниже R_DS(on). В связи с этим рекомендуется использовать транзисторы CoolSiC с управляющим напряжением в диапазоне 0…18 В, обеспечивающим лучшую передаточную характеристику и минимальное значение R_DS(on). Это выше, чем стандартное напряжение управления транзисторами серии CoolMOS – 15 В. При этом для цепей управления рекомендуется использовать порог защиты от пониженного напряжения питания (UVLO) 13 В, что выше, чем для устройств CoolMOS.

Устройства CoolGaN являются транзисторами с инжекционным затвором (GIT), и поэтому управляются током, а не напряжением, как транзисторы CoolSiC и CoolMOS. Иначе говоря, для транзисторов CoolGaN, кроме включающих и выключающих резисторов, требуется внешняя RC-цепочка. Существует два способа управления устройствами CoolGaN (рисунок 2).

Рис. 2. Способы управления транзисторами CoolGaN: а) использование драйвера 1EDI; б) использование драйвера 1EDF56

Первый вариант – с применением драйвера 1EDIx производства компании Infineon, который предполагает использование отдельных цепей для положительного и отрицательного напряжений с целью безопасного включения и выключения устройства. Второй вариант – с применением драйвера 1EDF56x производства Infineon, специально предназначенного для управления галлий-нитридными транзисторами. В этом случае используется один блок питания с положительным напряжением. Генерация необходимых положительных и отрицательных импульсов для управления транзистором CoolGaN обеспечивается внутренними цепями драйвера. Также этот тип драйвера минимизирует влияние падения напряжения на внутреннем диоде на работу схемы.

На рисунке 3 показано сравнение областей безопасных режимов работы (SOA) для устройств CoolMOS и CoolGaN.

Рис. 3. Области безопасных режимов работы для устройств: а) CoolMOS; б) CoolGaN

Диаграмма области безопасных режимов работы для устройств CoolSiC аналогична диаграмме для семейства CoolMOS, поэтому на рисунке 3 не приведена.

Диаграмма на рисунке 3а показывает, какой максимальный импульсный ток может выдержать устройство CoolMOS при различных величинах напряжения «сток-исток», длительности импульса и определенной температуре корпуса. Как видно из этой диаграммы, при длительности импульса в 1 мкс и напряжении «сток-исток» 400 В устройство выдерживает ток порядка 30 А. При номинальном рабочем напряжении 600 В и длительности импульса 1 мкс устройство способно выдержать ток порядка 20 А.

Поведение устройств CoolGaN значительно отличается – устройство способно выдержать максимальный ток, равный 35 А при напряжении «сток-исток» 400 В и длительности импульса максимум 20 нс. При напряжениях выше 400 В максимальная длительность импульса быстро падает. Фактически, устройство не может работать при напряжении «сток-исток» 600 В.

Важной характеристикой технологии производства транзисторов является зависимость сопротивления R_DS(on) от температуры перехода. Эта зависимость показана на рисунке 4.

Рис. 4. Зависимость R_DS(on) от температуры перехода T_j

Как показано на рисунке 4, значительным преимуществом при высоких температурах обладают устройства CoolSiC, обеспечивающие меньшую зависимость потерь проводимости от температуры. Это эквивалентно использованию устройств с большим R_DS(on) для обеспечения той же номинальной мощности, что и для двух других технологий.

Важным аспектом использования данной технологии являются доступные корпуса, так как именно он в конечном счете и определяют применимость технологии для определенных условий. Транзисторы серии CoolMOS представлены на рынке уже около 20 лет, поэтому они обладают наиболее широкой номенклатурой корпусов – более 18 видов, включая корпуса для поверхностного монтажа и для монтажа в сквозные отверстия. Корпуса для поверхностного монтажа доступны с несколькими вариантами охлаждения, что позволяет применять их для широкого круга приложений, где в фокусе находится высокая производительность. Кроме того, планируется дальнейшее исследование устройств для возможности улучшения существующих конструктивов.

Устройства CoolGaN предназначены для использования в высокочастотных цепях и очень чувствительны к влиянию паразитных компонентов, поэтому они требуют особо тщательного проектирования, и для них предпочтительно использование SMD-корпусов c малыми значениями паразитной индуктивности выводов. Первое поколение устройств CoolGaN было выпущено в корпусах типа DFN 8х8 мм, TOLL и DSO-020 с возможностью охлаждения через нижнюю либо верхнюю части корпуса. Корпус устройств CoolGaN имеет определяющее значение для обеспечения оптимальной производительности и максимизации теплоотведения, поэтому компания Infineon постоянно проводит исследования новых типов корпусов с поверхностным монтажом, таких как QDPAK с теплоотводом в верхней части корпуса и DSO-12.

Устройства CoolSiC достаточно просты в применении. Эти устройства особенно хороши для высокотемпературных приложений. Большие корпуса для монтажа в сквозные отверстия в совокупности с хорошими температурными свойствами карбида кремния помогают хорошо рассеивать тепло. По этой причине первое поколение устройств CoolSiC планируется выпускать в корпусах TO-247 c тремя и четырьмя выводами. Корпус с четырьмя выводами обладает меньшей чувствительностью к паразитным наводкам и поэтому лучше подходит для высокочастотных приложений.

На рисунке 5 показаны возможные типы корпусов для компонентов, созданных по всем рассмотренным технологиям.

Рис. 5. Варианты корпусов для устройств CoolMOS, CoolGaN и CoolSiC

Энергоэффективность блоков питания

Для оценки энергоэффективности блоков питания используется так называемый стандарт 80 PLUS. В соответствие с этим стандартом сертифицируются блоки питания с КПД не менее 80% при нагрузке 20%, 50%, 100%, а также с коэффициентом мощности не менее 0,8 при нагрузке 100%. Внутри системы также существует градация, самый высокий уровень – 80 PLUS Titanium, обеспечивающий коэффициент мощности 0,95 при нагрузке 50% и КПД не менее 91% при нагрузке 100% и напряжении 230 В.

При проектировании блоков питания и основных каскадов, таких, к примеру, как каскад ККМ, используется несколько основных топологий. Классическая топология ККМ, изображенная на рисунке 6, наиболее широко используется для серверов, телекоммуникационного оборудования и промышленных блоков питания.

Рис. 6. Классическая топология ККМ (Boost PFC)

Эта топология наиболее просто реализуется и более привлекательна по цене по сравнению с другими. Но ее недостатком являются значительные потери мощности в диодном выпрямительном мосте, что влечет за собой падение КПД. Поэтому блоки питания с такой схемой ККМ обладают классом энергоэффективности не выше 80 PLUS Platinum. Для достижения максимального уровня 80 PLUS Titanium в качестве выпрямительного каскада можно рассмотреть активный выпрямитель, как это показано на рисунке 7. У полевых транзисторов в открытом состоянии малое сопротивление канала, что позволит уменьшить потери проводимости данного каскада.

Рис. 7. Способ увеличения энергоэффективности классической топологии ККМ (Boost PFC)

Для схемы на основе кремниевых транзисторов, изображенной на рисунке 7, рекомендуется использование компонентов из таблицы 2.

Таблица 2. Список компонентов для классической топологии ККМ (Boost) на основе кремниевых транзисторов

Устройство	Количество
CoolMOSTM P7 80 мВ – TO247	1
8A SiC-диод – TO220	1
CoolMOSTM S7 65 мВ – TOLL	4
Драйвер затвора 1EDN7511B	1
Драйвер затвора 2EDN7424F	1
Драйвер затвора 2EDF7175F	1
Индуктор	1
Конденсатор 680 мкФ	1

Двухфазная топология каскада ККМ (Interleaved PFC), показанная на рисунке 8, наряду с классической топологией получила широкое распространение в серверах, телекоммуникационном оборудовании и в сфере создания промышленных блоков питания.

Рис. 8. Двухфазная схема ККМ (Interleaved PFC)

Этот вид топологии обеспечивает энергоэффективность уровня 80 PLUS Platinum.

На рисунке 9 показана топология ККМ на базе двойного повышающего преобразователя (Dual Boost PFC), которая обеспечивает энергоэффективность уровня 80 PLUS Titanium.

Рис. 9. Топология ККМ на базе двойного повышающего преобразователя (Dual Boost)

Эта топология широко используется для устройств с большой потребляемой мощностью, позволяя проектировать высокоэффективные блоки питания и выпрямители. Она проста в применении, но обладает одним недостатком – высокой плотностью энергии из-за использования двух дросселей ККМ.

Для схемы на основе кремниевых транзисторов, изображенной на рисунке 9, рекомендуется использование компонентов из таблицы 3.

Таблица 3. Список компонентов для топологии двойного усиления на основе кремниевых транзисторов

Устройство	Количество
CoolMOSTM P7 80 мВ TO247	2
8A SiC-диод TO220	2
Индуктор	2
Конденсатор 680 мкФ	1
Драйвер затвора 2EDN7524F	1

Ещё одна очень эффективная и простая топология, позволяющая получать энергоэффективность уровня 80 PLUS Titanium – H4, или Н-полный мост. Схема этой топологии показана на рисунке 10.

Рис. 10. Топология Н4 (H-полный мост)

Для схемы на основе кремниевых транзисторов, представленной на рисунке 10, рекомендуется использование компонентов из таблицы 4.

Таблица 4. Список компонентов для топологии H4 на основе кремниевых транзисторов

Устройство	Количество
CoolMOSTM P7 60 мВ TO247	2
8A SiC-диод TO220	2
Индуктор	1
Конденсатор 680 мкФ	1
Драйвер затвора 2EDF7275F	1

Специально для широкозонных полупроводников, таких как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), работающих в режиме непрерывных токов, была разработана топология «полный мост типа Totem-Pole». Эта топология, схема которой показана на рисунке 11, позволяет достигать энергоэффективности уровня 80 PLUS Titanium.

Рис. 11. Топология полный мост (Totem-Pole PFC) в режиме непрерывных токов (CCM)

Топология полного моста типа Totem-pole схожа со схемой полного моста H4, однако здесь используется один дроссель ККМ, что дает, в конечном счете, выигрыш в плотности мощности преобразователя. В сочетании с использованием кремниевых устройств в обратных цепях эта топология обеспечивает наивысшую энергоэффективность по сравнению с предыдущими вариантами.

Для схемы на основе карбид-кремниевых транзисторов, изображенной на рисунке 11, рекомендуется применение компонентов из таблицы 5, а на основе галлий-нитридных транзисторов – из таблицы 6.

Таблица 5. Список компонентов для топологии ККМ «полный мост Totem-Pole» в режиме CCM на основе карбид-кремниевых транзисторов серии CoolMOS

Устройство	Количество
145 мОм SiC MOSFET TO247	2
Индуктор	1
Конденсатор 680 мкФ	1
Драйвер затвора 2EDF7275F	1

Таблица 6. Список компонентов для топологии ККМ «полный мост Totem-Pole» в режиме CCM на основе галлий-нитридных транзисторов серии CoolGaN

Устройство	Количество
70 мОм GaN DSO TSC	2
Индуктор	1
Конденсатор 680 мкФ	1
Драйвер затвора 1EDF5673F	2

Топология ККМ «полный мост Totem-Pole» также может быть реализована на кремниевых полевых транзисторах (Si), как это показано на рисунке 12. Однако в этом случае требуется специальная технология управления, называемая «треугольным режимом проводимости» (TCM), что позволяет перейти в режим переключения при нулевом напряжении (ZVS).

Рис. 12. Топология ККМ полный мост (Totem-Pole PFC), работающая в треугольном режиме проводимости (TCM)

Эта топология также обеспечивает энергоэффективность уровня 80 PLUS Titanium. Для преобразователей на базе кремниевых силовых полупроводниковых приборов она является единственной, позволяющей получить энергоэффективность, сравнимую с топологией ККМ «полный мост Totem-Pole», работающей в режиме непрерывного тока (CCM) и построенной на базе технологий SiC и GaN.

В схеме преобразователя, построенного по топологии ККМ «полный мост Totem-Pole», в режиме TCM через ключ протекает отрицательный ток, который обуславливает две особенности данной топологии:

• высокую пульсацию токов индуктора ККМ, требующую минимум две фазы;
• необходимость применения синхронного выпрямителя.

Для схемы, построенной на основе кремниевых транзисторов (рисунок 12), рекомендуется использование компонентов из таблицы 7.

Таблица 7. Список компонентов для топологии ККМ «полный мост Totem-pole» в режиме TCM на основе кремниевых транзисторов

Устройство	Количество
CFD7 105 мОм TO247	4
CoolMOSTM S7 65 мВ TOLL	2
Драйвер CoolMOSTM LF 2EDF7175F	1
Драйвер затвора 2EDF7275F	2
Индуктор	2
Конденсатор 480 мкФ	1

На рисунке 13 показано сравнение КПД различных топологий для мощности 1 кВт при входном напряжении 115 В.

Рис. 13. КПД различных топологий для ККМ мощностью 1 кВт при входном напряжении 115 В

Звездочкой отмечено минимальное КПД при нагрузке 50% для соответствия уровню энергоэффективности 80 PLUS Titanium. Как видно из рисунка, все топологии, кроме классической без выпрямителя, соответствуют этому уровню.

Для топологии ККМ типа HB Totem-Pole PFC, работающей в режиме непрерывных токов CCM, выбор различных R_DS(on) для устройств SiC и GaN обусловлен различными температурными характеристиками устройств. Различие КПД для нагрузок 50% и 100% для топологии типа Totem Pole в режиме TCM обусловлено использованием двухфазного напряжения.

Как было сказано ранее, топология «полный мост Н4» имеет довольно простую схемотехнику, она не требует мостового диодного (активного) выпрямителя на входе и позволяет получить достаточно высокий КПД. При этом следует учитывать, что два каскада, включенных последовательно, фактически представляют собой один каскад с удвоенным R_DS(on). Экспериментирование со схемами подключения позволяет получить оптимальный результат.

Для топологии на базе двойного повышающего преобразователя (Dual Boost), так же как и для топологии «полный мост Totem-Pole PFC», в режиме TCM различие в КПД для разных величин нагрузки обусловлено использованием двухфазного напряжения.

На рисунке 14 показано сравнение КПД различных топологий для мощности 1 кВт при входном напряжении 230 В.

Рис. 14. КПД различных топологий для ККМ мощностью 1 кВт при входном напряжении 230 В

Как показано на рисунке 14, для входного напряжения 230 В все топологии соответствуют уровню энергоэффективности 80 PLUS Titanium, даже классическая повышающая топология (Boost) без выпрямителя.

Заключение

Группа с широкозонными полупроводниками в настоящее время включает в себя устройства на базе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN). Эти устройства уже получили широкое распространение в силовой электронике за счет улучшенных характеристик по сравнению с обычными кремниевыми (Si) транзисторами. Технология производства SiC и GaN продолжает активно развиваться, в отличие от технологии на базе кремния, которая в настоящее время вышла на определенное плато.

Транзисторы GaN в первую очередь предназначены для блоков питания в области телекоммуникации, серверов, зарядных устройств, в том числе беспроводных, а также в аудиоусилителях класса D. Исследуется возможность применения для источников бесперебойного питания, аккумуляторов, солнечной энергетики, зарядных устройств для электромобилей, ноутбуков, ЖК-телевизоров и других устройств.

Благодаря лучшим по сравнению с IGBT характеристикам SiC силовые полупроводниковые приборы на базе SiC начинают активно вытеснять IGBT-технологию во всех сферах, где она ранее применялась. Например, в сравнении с IGBT у SiC-компонентов потери на переключение уже сейчас примерно на порядок ниже. Теоретически эти потери в устройствах SiC и/или GaN могут быть снижены до бесконечно малого значения, что в принципе невыполнимо для устройств IGBT.

С появлением новых типов устройств разрабатываются новые топологии, которые ранее невозможно было применить из-за технических ограничений кремниевых силовых полупроводниковых приборов. Например, топология «полный мост Totem Pole» ранее вообще не рассматривалась для устройств силовой электроники из-за работы схемы в режиме жесткого переключения. А устройства GaN позволили с помощью этой топологии получить силовые устройства с очень высоким уровнем эффективности.

Следует отметить, что устройства на базе кремния в ближайшей перспективе продолжат активно использоваться за счет уже существующей огромной производственной базы и выгодной стоимости.

Однако активное развитие технологий производства устройств на базе широкозонных полупроводников в ближайшей перспективе, – возможно, уже в течение 5 лет, – должно привести к снижению стоимости таких устройств за счет повсеместного распространения технологии и расширения производства. Это сделает устройства на базе карбида кремния и нитрида галлия еще более привлекательными для применения в преобразовательной технике.

Comparative Study of PFC Topologies: Interleaved Boost vs. Totem-Pole PFC Topologies

As more electrically powered devices are connected to the grid, the increased distortion to the electric grid can create problems in the electrical distribution network. To mitigate these issues, power supply designs require advanced power factor correction (PFC) circuitry to meet strict power factor (PF) standards.

The most commonly used topology for power factor correction is boost PFC, but the advent of wide-bandgap (WBG) semiconductors — such as GaN and SiC — have enabled the implementation of bridgeless topologies like totem-pole PFC. Furthermore, advanced totem-pole controllers such as the MPF32010 have simplified the control of complex designs such as interleaved totem-pole PFC. This article compares these three topologies when used in different applications.

Interleaved Boost PFC

Interleaved boost PFC is the most common topology for power factor correction. This topology uses a boost converter in addition to a rectifying diode bridge that converts the AC voltage to DC voltage (see Figure 1). Then the boost converter steps the voltage up to a higher value. This reduces the output voltage ripple while shaping the current into a sinusoidal wave.

Figure 1: Interleaved Boost PFC Schematic

Power factor correction can be achieved using just one boost converter, but often two or more converters are connected in parallel, with a phase shift between the converters. This is called interleaving, which improves efficiency and reduces the input current ripple.

Bridgeless Totem-Pole PFC

New semiconductor materials for power switches — particularly silicon carbide (SiC) — have made designs that were previously limited by silicon’s thermal and electrical characteristics now viable. One of these designs is bridgeless totem-pole topology, which integrates the rectification and boost stage, and uses two switching branches that operate at different frequencies (see Figure 2).

Figure 2: Bridgeless Totem-Pole PFC Schematic

The first branch, which is called the slow branch (SD1and SD2), commutates at the grid frequency (e.g. between 50Hz and 60Hz). This branch uses traditional silicon switches and is primarily responsible for rectifying the input voltage. The second branch, which is called the fast branch (Q1 and Q2), shapes the current while stepping up the voltage. This branch has to switch at very high frequencies (about 100kHz). High power switching with higher frequencies puts greater thermal and electrical strain on the switches, so WBG semiconductor devices, such as SiC and GaN MOSFETS, are required for the converter to work safely and efficiently.

This topology generally offers an improved performance compared to interleaved boost converters. However, the additional active switches make the control circuitry more complex. This issue is often mitigated with the implementation of integrated totem-pole controllers.

Interleaved Totem-Pole PFC

To improve the efficiency of bridgeless totem-pole PFC, additional high-frequency branches can be added to create an interleaved totem-pole PFC. Additional branches reduce the converter’s output voltage ripple and distribute the converter’s power requirements equally across all the branches. This minimizes both layout size and overall cost.

Figure 3: Interleaved Bridgeless Totem-Pole PFC Schematic

Experimental Design Comparing PFC Topologies

Operating Parameters

To compare topologies across different situations, a series of simulation models were developed for two power levels. To make the results comparable, the same system specifications were used (see Table 1).

Table 1: System Specifications

Comparison Parameters

Key parameters were defined to compare the different topologies. These parameters are described below.

Input current ripple (ΔI_IN): ΔI_IN indicates the input current’s variation, and is measured as the difference between the maximum and minimum value of the input current for a single switching period. ΔI_IN can be calculated with Equation (1):

Total harmonic distortion of the current (THD_I): THD_I is a measurement of the harmonic distortion present in the current at the input, without the presence of a filter. THD_I can be estimated with Equation (2):

Inductive energy index (IEI) and capacitive energy index (CEI): These indexes provide information on the converter’s inductance and capacitance requirements per unit of power (see Equation 3 and 4). These parameters are strictly related to the final size and cost of the components. IEI can be calculated with Equation (3):

CEI can be estimated with Equation (4):

Total switching power index (TSP): TSP compares the voltage and current stress of the converter’s semiconductor devices per power unit (similar to a silicon equivalent area). TSP is highly related to the final cost of the silicon devices in the converter. TSP can be calculated with Equation (5):

Efficiency (ƞ): Efficiency compares the amount of energy lost by the power factor correction circuit. It is calculated as the ratio between the input power drawn by the circuit and the power available at the output (see Equation 5). Efficiency determines which topology experiences the least power loss. Efficiency can be estimated with Equation (6):

Totem-Pole PFC vs. Interleaved Boost PFC Results

The first test simulated all three topologies for a 300W application. This power level is often used in power supplies for computers. The second test was executed at 3kW, which is a much higher power level, often used in applications such as EV charging.

Comparisons between topologies can yield general conclusions about each topology. However, the performance of these designs does largely depend on the selected devices and the operating parameters they are subjected to. Therefore, designers must carefully consider which design to implement, and take great care in optimizing the design for their application. To illustrate this, a power losses analysis has been carried out considering only device losses, while similar devices are used for all topologies.

Power Advantages of a Totem-Pole PFC

When comparing the topology structure, the first key aspect is that totem-pole PFC does not include a rectifying bridge, which reduces the number of switching devices. The diode bridge in the boost converter is always conducting, so conduction losses are a very important factor for this topology’s efficiency. At low power, currents in the converter are relatively small, so the majority of power loss is produced during the switching operations. This is why boost and totem-pole PFC topologies have similar efficiencies for 300W applications (see Figure 4). For simplicity, the comparison of efficiency has been made between the interleaved boost and totem-pole converters, since there is little difference between losses in the traditional and interleaved totem-pole designs.

Figure 4: Power Losses in 300W Design

When operating at 3kW, the current in the circuit is significantly higher, which incurs significant conduction losses in boost topology due to the high equivalent resistance in the rectifier’s diodes. Because of this, totem-pole PFC is much more efficient in high-power applications (see Figure 5).

Figure 5: Power Losses in 3kW Design

Improved Efficiency of Interleaved Boost and Totem-Pole PFC

Another crucial aspect to compare boost and totem-pole PFC topologies is the operating mode. Totem-pole topologies usually operate in continuous conduction mode (CCM), whereas interleaved boost topology operates in critical conduction mode (CrCM). CCM operation significantly reduces the inductor current ripple and THD_I, while CrCM requires a much smaller inductance and results in a lower inductive energy index (IEI) (see Figure 6).

Figure 6: Input Current Simulation Results

However, the increased THD_I means a boost PFC requires a large input filter to meet power quality requirements. This undercuts the benefits (reduced cost and size) gained by losing an inductor. In addition, the current across the switches is much larger in CrCM than in CCM, which adds voltage and current stress to the switching components (see Figure 7).

Figure 7: Simulation Results of Current through the Inductors

Connecting multiple converters in parallel improves performance by distributing the current stress across several phases. By itself, a single, non-interleaved boost converter would not be able to match the efficiency and performance of totem-pole PFC. However, by interleaving several boost converters, performance drastically improves, which makes interleaved boost topology a valid option for mid-range power applications, such as the 300W example shown above (see Figure 8).

At high power, even interleaved boost converters struggle to match the efficiency of totem-pole topologies. Furthermore, for applications at 3kW or greater, even totem pole converters benefit from interleaving. Dividing the current requirement across two branches allows the inductance of each branch to be halved, which relaxes the power switch requirements while simultaneously reducing the input current ripple.

Figure 8: Inductor Current in Interleaved Boost PFC

Table 2 summarizes the different parameters between the three PFC topologies.

Table 2: PFC Topology Comparison Simulation Results

Conclusion

This article used simulations and key comparison parameters to illustrate the main characteristics of interleaved boost, totem-pole, and interleaved totem-pole PFC topologies, with the intent of helping designers select the best topology for their application.

The simplicity of boost PFC topology has made it the go-to solution for most designers. However, boost PFC suffers from lower efficiency in high-power applications. In these cases, a totem-pole PFC topology may be preferable despite the added complexity. The introduction of integrated totem-pole controllers such as the MPF32010 have greatly simplified the implementation of totem-pole PFC converters.

Похожие публикации:

1. 20гдс 3 чем заменить
2. Led lamp приложение как пользоваться
3. Какой автомат ставить на посудомоечную машину
4. Постройте изображение предмета ab в линзе какое это изображение

Digital Power Conversion with Totem Pole Interleaved PFC

This solution provides a very high-efficiency power supply required by most industrial and telecom equipment. The totem pole PFC eliminates the typical diode bridge used to rectify the AC input, a source of energy loss. Interleaving provides additional efficiency and, finally, a low-ripple DC output. In addition, by combining this with an LLC resonant DC/DC, AC/DC power supply flexibility various applications can be realized.

• AC/DC power supply with a totem pole interleaved PFC provides high efficiency and low ripple.
• High-efficiency LLC resonant DC/DC can support a wide range of output voltages.
• High-performance MCU with dedicated peripherals for power control and protection to realize high-end algorithms.
• Complete solution which includes the drivers and couplers

Comparison

Applications

Applications

• Power supply for communication, industrial or data center equipment

Winning Combinations Interactive Diagram

Select a block to discover products for your design

Connector.199 Connector.201 Sheet.202