Die beste Schaltungstopologie?
Die Vorteile von Totem-Pole-PFC-Schaltungen richtig nutzen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Stromreferenz und Polarität des Regelkreises
Der Strom in der Induktivität einer Totem-Pole-PFC-Schaltung ist bidirektional. Der Stromsensor sollte den bidirektionalen Strom also erfassen und den Regelkreis entsprechend triggern können. Gut geeignet hierfür ist ein Hall-Effekt-Sensor, an dessen Ausgang normalerweise eine Sinuswelle mit einem DC-Offset liegt (Bild 3).
Das ist anders als bei einer traditionellen PFC-Schaltung, bei der das Stromrückmeldesignal eine gleichgerichtete Sinuswelle ohne DC-Offset ist. Deshalb kann die Stromreferenz der herkömmlichen PFC-Schaltung in einer Totem-Pole-Schaltung nicht verwendet werden. Um eine korrekte Stromregelung zu erreichen, wird die Stromreferenz in der Totem-Pole-PFC-Schaltung so moduliert, dass sie diesem speziellen Signalverlauf gerecht wird.
Die Stromreferenz in einer Totem-Pole-PFC-Schaltung lässt sich herleiten, indem man die sinusförmige Stromreferenz zunächst genauso herleitet
wie in einer traditionellen PFC-Schaltung. Für die positive Halbwelle von UAC leitet man die Stromreferenz des Regelkreises dann wie folgt her:
Stromreferenz = Sinus-Referenz + DC-Offset
Der Regelkreis bewirkt eine negative Rückkopplung und ist der gleiche wie bei einer traditionellen PFC-Schaltung:
Fehler = Stromreferenz – Rückkoppelsignal
Die Stromreferenz des Regelkreises während der negativen Halbwelle von UAC ist definiert durch:
Stromreferenz = DC-Offset – sinusförmige Referenz
Da das Rückkoppelsignal außerdem umgekehrt proportional zum realen Stromsignal während einer negativen UAC-Halbwelle ist, muss die Polarität des Rückkoppelsignals des Regelkreises von negativ nach positiv wechseln:
Fehler = Rückkoppelsignal – Stromreferenz
Das Problem des Spannungsabfalls
Wenn UAC abfällt, benötigt der Regler einige Zeit, um diesen Abfall zu detektieren. Da die Schalter noch eingeschaltet sind, bevor der Regler den Abfall von UAC erkennt, wird der DC-Zwischenkreis über den Sync-Schalter entladen, was zwei Probleme verursachen kann. Erstens wird die im Ausgangskondensator gespeicherte Energie entladen, sodass die Überbrückungszeit nicht mehr garantiert werden kann, und zweitens entsteht ein hoher Rückstrom.
Die denkbar ungünstigste Situation tritt ein, wenn die Spannung UAC bei ihrem Scheitelwert abfällt, wenn der Sync-Schalter also mit seinem größten Tastverhältnis arbeitet. Es ist deshalb notwendig, eine zusätzliche Schaltung hinzuzufügen, die den Abfall von UAC schnell erkennt und dies entweder dem Regler meldet oder die Schalter direkt abschaltet.
Es gibt jedoch auch eine einfache, keine Mehrkosten verursachende Lösung für das Problem. Hierzu nutzt man die Tatsache aus, dass die vom UAC-Abfall erzeugte Rückstrom-Spitze stets die entgegengesetzte Polarität der UAC-Halbwelle hat. Während einer positiven UAC-Halbwelle entsteht also eine negative Stromspitze, bei einer negativen UAC-Halbwelle dagegen eine positive.
Um das Problem des UAC-Abfalls zu lösen, wird der Regler so konfiguriert, dass er während einer negativen AC-Halbwelle die positive Stromspitze und während einer positiven AC-Halbwelle die negative Stromspitze detektiert. An einer solchen Stromspitze kann der Regler somit unmittelbar einen Abfall der AC-Spannung erkennen und alle Schalter abschalten, um ein Entladen des Ausgangskondensators zu verhindern.
Wenn UAC für einige Zyklen abfällt und anschließend wieder ansteigt, stellt sich ein weiteres Problem ein. Sobald der Regler in einer traditionellen PFC-Schaltung erkennt, dass UAC zurückkehrt, kann er umgehend den PFC-Hauptschalter einschalten. Das augenblickliche Einschalten kann an einer beliebigen Stelle der UAC-Welle erfolgen.
In einer Totem-Pole-PFC-Schaltung dagegen wird der Zeitpunkt des Einschaltens wichtig. Kehrt UAC zum Beispiel am Scheitelpunkt zurück, so ist D klein und 1 – D groß. Das Einschalten des PFC-Sync-Schalters in diesem Moment hätte eine hohe Rückstromspitze zur Folge. Eine praktikable Lösung, mit der sich der Zeitpunkt, zu dem UAC wieder ansteigt, kompensieren lässt, ist diese:
- Der Hauptschalter muss stets zuerst eingeschaltet werden.
- Die PFC-Schaltung muss immer im AC-Nulldurchgang eingeschaltet werden und die in [1] beschriebene Softstart-Sequenz ausführen.
Herausforderungen von Totem-Pole-PFC-Schaltungen sind lösbar
Mit den heutigen digitalen Reglern und der Einführung von GaN-FETs haben sich die Herausforderungen, die beim Design von Totem-Pole-PFC-Schaltungen im CCM-Betrieb beachtet werden müssen, auf ein Minimum reduziert. Dennoch bringt die Regelung einer solchen Schaltung eine ganze Reihe von Schwierigkeiten mit sich, die es bei traditionellen PFC-Schaltungen nicht gibt. Die im Artikel beschriebenen Lösungsansätze wurden mit Hilfe einer durch einen UCD3138 geregelten Totem-Pole-PFC-Schaltung mit 1 kW Leistung überprüft. Die Tests ergaben, dass die Schaltung einen Wirkungsgrad von 99 % erzielt. Auch wurden hervorragende Werte in Bezug auf den Oberschwingungsgehalt und den Leistungsfaktor erreicht. [2]
Literatur
[1] B. Sun: How to reduce current spikes at AC zero-crossing for totem-pole PFC, Texas Instruments Analog Applications Journal (SLYT650), 4. Quartal 2015.
[2] Z. Ye, A. Agular, Y. Bolurian und B. Daugherty: GaN FET-Based CCM Totem-Pole Bridgeless PFC, TI Power Supply Design Seminar (SLUP327), 2014.
Bosheng Sun
erwarb seinen Bachelor an der Tsinghua-Universität, Peking, und seinen Master an der Cleveland State University, Ohio, – beide Abschlüsse im Fach Elektrotechnik. Nach ersten Berufserfahrungen bei Core Technologies und Plug Power kam er 2006 zu Texas Instruments. Dort beschäftigt er sich derzeit als Applikationsingenieur mit der Entwicklung von leistungsfähigen Produkten im Bereich Spannungregler.
Er hält vier US-Patente.
- Die Vorteile von Totem-Pole-PFC-Schaltungen richtig nutzen
- Stromreferenz und Polarität des Regelkreises
Lesen Sie mehr zum Thema
Das könnte Sie auch interessieren
Icergi / Multilevel-Wandler
Totem-Pole-PFC mit billigen Silizium-MOSFETs
Traco Power
Rechnet sich GaN bei einer Totem-Pole-PFC?
Schulz-Electronic / Delta Elektronika
15-kW-DC-Netzteile jetzt als Hochspannungs-Variante lieferbar
Programmierbare SoCs schnell integrieren
System-on-Module-Konzept mit leistungsfähigem PMIC
Forschungsprojekt 26+
Silizium-Solarzelle mit Rekordwirkungsgrad von 26,1 %
Texas Instruments unterstützt MINT
Das technische Klassenzimmer
Servo-Motorregelungen
Schnellere Stromregelkreise zeichnen sich aus
Regler, Wandler, Netzteile und Co.
7 innovative Stromversorgungen
