Mit Totem-Pole-Controllern die AC/DC-Leistungswandlung optimieren

Elektrische Energie wird im Netz als Wechselstrom (AC) geliefert, allerdings benötigen viele der verwendeten Geräte Gleichstrom (DC), weshalb AC/DC-Netzteile eine entsprechende Umwandlung durchführen müssen. Diese stellt eine der häufigsten Lasten in Energienetzen dar. Da sich die Menschen immer mehr auf Energieeffizienz konzentrieren, um die Umwelt zu schützen und die Betriebskosten zu senken, wird der effiziente Betrieb dieser Stromversorgungen immer wichtiger.

Der Wirkungsgrad als Maß für das Verhältnis zwischen der Eingangsleistung und der an die Last abgegebenen Leistung ist bekannt. Allerdings hat auch der Eingangsleistungsfaktor einen erheblichen Einfluss. Der Leistungsfaktor (PF; Power Factor) beschreibt das Verhältnis zwischen nutzbarer (wahrer) Leistung und der gesamten (scheinbaren) Leistung (kVA), die von einem AC-betriebenen Gerät, einschließlich Netzteilen, aufgenommen wird. Er misst, wie effizient die Stromversorgung die verbrauchte elektrische Leistung in nutzbare Arbeitsleistung umwandelt.

Liegt eine rein ohmsche Last vor, beträgt der Leistungsfaktor gleich Eins. Jedoch reduziert jedes reaktive Element innerhalb der Last diesen, wodurch die Scheinleistung größer als die Nutzleistung wird, was zu einem geringeren Wirkungsgrad führt.

Ein Leistungsfaktor <1 wird dadurch verursacht, dass Spannung und Strom phasenverschoben sind, was bei induktiven Lasten üblich ist. Dies kann auch auf einen hohen Oberwellengehalt oder eine verzerrte Stromwellenform zurückzuführen sein, wie sie häufig bei Schaltnetzteilen (Switch-mode power supply; SMPS) oder anderen Arten von diskontinuierlichen elektronischen Lasten zu finden ist.

Viele SMPS ohne Leitungsfaktorkorrektur nehmen einen höheren Strom als ein korrigiertes SMPS auf. Bei Leistungen über 70 W verlangt der Gesetzgeber daher, Schaltungen zu integrieren, um den Leistungsfaktor auf einen Wert nahe Eins zu korrigieren. Die gebräuchlichste Technik zur aktiven Leistungsfaktorkorrektur (PFC; Power Factor Correction) basiert auf einem Boost-/Aufwärtswandler, um das gleichgerichtete Netz auf einen hohen DC-Pegel umzuwandeln, der dann mittels Pulsweitenmodulation (PWM) geregelt wird.

Obwohl diese Technik gut funktioniert und einfach zu implementieren ist, gibt es einige Herausforderungen. Heutige Effizienzstandards wie der strenge „80+ Titanium Standard“ erfordern einen hohen Wirkungsgrad über einen weiten Leistungsbereich und Spitzenwirkungsgrade von bis zu 96 % bei 50 % Last. Da der DC/DC-Wandler nach der PFC-Stufe typischerweise 2 % Verlust aufweist, darf der Netzgleichrichter und die PFC-Stufe selbst nur 2 % verlieren – was bei den Dioden im Brückengleichrichter eine Herausforderung darstellt.

Ersetzen allerdings Entwickler die Boost-Diode (D5) durch einen Synchrongleichrichter, verbessert sich der Wirkungsgrad. Außerdem sind dann nur zwei Netzgleichrichterdioden erforderlich, die auch als Synchrongleichrichter (Q3, Q4) ausgeführt sein können, um den Wirkungsgrad weiter zu erhöhen. Diese Technik ist als Totem-Pole-PFC (TPPFC) bekannt und bringt mit idealen Induktivitäten und Schaltern den Wirkungsgrad nahe an 100 %. Aktuelle MOSFETs bieten zwar eine hohe Leistungsfähigkeit, erreichen aber nicht das Niveau idealer Schalter – selbst im Parallelbetrieb. Daher kommen Halbleiterschalter mit breiter Bandlücke (WBG; Wide-Bandgap) zusammen mit der Totem-Pole-PFC zum Einsatz.

Mit dem Trend zu höheren Schaltfrequenzen fallen die dynamischen Verluste in Schaltbausteinen stärker ins Gewicht. Diese Verluste sind einerseits auf die Rückwärtserholung des MOSFETs zurückzuführen, wenn er als Schalter des schnellen Zweigs im Totem-Pole-Kreis konfiguriert ist und seine Body-Diode in der Totzeit des Schalters leitet und auch die zugehörige gespeicherte Ladung abgebaut werden muss; sowie andererseits auf das Laden und Entladen der Schaltausgangskapazität.

Die dynamischen Verluste bei Silizium-MOSFETs können so erheblich sein, dass Entwickler zunehmend WBG-Halbleiter wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) in TPPFC-Anwendungen einsetzen. Diese haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie bei höheren Frequenzen und Temperaturen arbeiten – zwei sehr nützliche Eigenschaften in Leistungselektronik-Anwendungen.

Critical Conduction Mode (CrM) ist oft der bevorzugte Leitungsmodus für TPPFC, insbesondere bis zu einigen hundert Watt. Er stellt einen Kompromiss zwischen Effizienz und EMI dar. Der Continuous Conduction Mode (CCM) reduziert den Effektiv-/RMS-Strom in den Schaltern und die Leitungsverluste weiter und ermöglicht TPPFC in Anwendungen mit KW-Nennleistungen.

Selbst bei CrM kann es bei geringer Last zu einem erheblichen Wirkungsgradverlust (bis zu 10 %) kommen, was eine echte Herausforderung darstellt, wenn es darum geht, die Grenzwerte für den Standby- oder Leerlauf-Energieverbrauch einzuhalten. Eine Lösung besteht darin, die maximal zulässige Frequenz zu klemmen oder einem Foldback zu unterziehen. Damit wird die Schaltung bei geringer Last in den Direct Current Mode (DCM) gezwungen, wo die höheren Spitzenströme niedriger sind als bei einer äquivalenten CrM-Implementierung.

Die Kombination von TPPFC mit CrM-Betrieb und Frequenzklemmung liefert eine gute Lösung für den mittleren Leistungsbereich, die einen hohen Wirkungsgrad über den gesamten Lastbereich erzielt, insbesondere, wenn WBG-Schalter für den HF-Zweig verwendet werden.

Haben Entwickler die Effizienzherausforderung gelöst, gibt es noch eine letzte Hürde zu nehmen. Die Stromversorgung muss noch vier aktive Bauelemente synchron ansteuern und den Nulldurchgang der Induktivität muss erkannt werden, um CrM zu erzwingen. Die Schaltung muss in der Lage sein, bei Bedarf automatisch in den DCM-Modus überzugehen – und das alles unter Beibehaltung eines hohen Leistungsfaktors mit Erzeugung eines PWM-Signals zur Regelung des Ausgangs. Darüber hinaus ist ein Schutz der Schaltung (vor Überstrom und Überspannung) erforderlich.

Aufgrund der Komplexität ist der beste Ansatz, die Regelalgorithmen in einem Mikrocontroller zu implementieren. Solche Ansätze können jedoch teuer sein und erfordern das Erstellen und Debuggen von Code.

Eine codefreie Lösung für TPPFC mit CrM

Vollständig integrierte TPPFC-Steuerungen bieten zahlreiche Vorteile, darunter hohe Leistungsfähigkeit, kürzere Entwicklungszeit und ein geringeres Entwicklungsrisiko, während gleichzeitig die Notwendigkeit entfällt, einen Mikrocontroller und den zugehörigen Code zu implementieren.

Eine solche integrierte Lösung ist der Mixed-Signal TPPFC-Controller NCP1680 von onsemi, der unter CrM mit konstanter Einschaltdauer arbeitet, um einen hohen Wirkungsgrad über den gesamten Lastbereich zu gewährleisten. Der NCP1680 verfügt über eine Valley-Umschaltung während des Frequenz-Foldbacks bei geringer Last, um den Wirkungsgrad durch Schalten bei einem Spannungsminimum zu verbessern. Der digitale Spannungsregelkreis wird intern kompensiert, um die Leistungsfähigkeit über den gesamten Lastbereich zu optimieren und gleichzeitig sicherzustellen, dass der Entwicklungsprozess einfach bleibt.

Der im kompakten SOIC-16-Gehäuse ausgelieferte Controller bietet einen proprietären, verlustarmen Ansatz für die Strommessung und eine zyklusweise Strombegrenzung. Er bietet zudem Schutz ohne einen externen Hall-Effekt-Sensor, wodurch das Design weniger komplex, kleiner und kostenintensiv wird. Alle erforderlichen Steueralgorithmen sind in den IC integriert, sodass Entwicklern eine risikoarme, bewährte Lösung zur Verfügung steht, die hohe Leistungsfähigkeit zu einem kostengünstigen Preis bietet.