Quand et comment utiliser la correction du facteur de puissance totem-pôle sans pont

Un facteur de puissance (PF) élevé et un haut rendement sont des exigences clés pour les alimentations CA/CC utilisées dans les serveurs, les réseaux, les télécommunications 5G, les systèmes industriels, les véhicules électriques et de nombreuses autres applications. Cependant, le défi pour les concepteurs d'alimentations est de répondre simultanément aux exigences en matière de facteur de puissance et de compatibilité électromagnétique (CEM) de normes telles que CEI 61000-3-2, et de la dernière norme de rendement 80 PLUS Titanium d'EnergyStar. Cette dernière exige un rendement minimum de 90 % à 10 % de charge et de 94 % à pleine charge. Une topologie de correction du facteur de puissance (PFC) élévatrice classique peut fournir un facteur de puissance élevé et une bonne compatibilité électromagnétique, mais elle inclut un pont de diode relativement inefficace, ce qui rend difficile le respect des normes de rendement attendues.

Le remplacement du pont de diode par une topologie PFC totem-pôle sans pont permet d'obtenir à la fois un facteur de puissance élevé et un haut rendement. Cependant, cela introduit une plus grande complexité puisque la topologie comprend deux boucles de commande : une boucle lente fonctionnant à la fréquence de ligne pour le redressement, et une boucle haute fréquence pour la section élévatrice. La conception de deux boucles de commande à partir de zéro est un processus fastidieux qui peut retarder la mise sur le marché et aboutir à une solution plus coûteuse et plus grande que nécessaire.

Pour relever ces défis, les concepteurs peuvent se tourner vers des circuits intégrés de contrôleur PFC optimisés pour une utilisation dans des conceptions PFC totem-pôle sans pont. Ces contrôleurs sont dotés de boucles numériques à compensation interne, ils peuvent implémenter une limitation du courant cycle par cycle sans nécessiter de capteur à effet Hall, et ils peuvent être utilisés avec des MOSFET silicium ou des dispositifs de commutation à large bande interdite (WBG), tels que le carbure de silicium (SiC) ou le nitrure de gallium (GaN). La correction PFC résultante peut fonctionner avec des entrées de 90 à 265 volts (V) CA et avec des rendements atteignant 99 %.

Cet article passe brièvement en revue les normes industrielles que les alimentations CA/CC doivent respecter, il compare les performances des différentes topologies PFC et identifie les cas dans lesquels l'option PFC totem-pôle sans pont est le meilleur choix. Il présente ensuite un circuit intégré de contrôleur d'onsemi optimisé pour une utilisation PFC totem-pôle sans pont, ainsi que des composants de support, une carte d'évaluation et des suggestions de conception pour accélérer le processus de développement.

Le rendement peut être compliqué

Le rendement d'une alimentation électrique est plus compliqué qu'il n'y paraît à première vue, car il implique à la fois des composants CA et CC. Le rendement simple est le rapport entre la puissance d'entrée et la puissance de sortie. Cependant, la puissance d'entrée d'une alimentation CA/CC typique n'est pas purement sinusoïdale, ce qui entraîne une différence entre la puissance en phase et hors phase tirée du réseau CA. Cette différence est connue comme le facteur de puissance. Pour une description complète du rendement d'une alimentation CA/CC, il faut inclure à la fois le rendement CC et le facteur de puissance. Pour compliquer davantage les choses, les courbes de rendement ne sont pas plates : le rendement et le facteur de puissance peuvent varier en fonction de paramètres tels que la tension d'entrée et la charge de sortie.

Pour tenir compte de ces variables, les normes de rendement comme EnergyStar définissent le rendement à différents niveaux de charge et à différentes tensions d'entrée, et avec une exigence pour le facteur de puissance (Tableau 1). Le plus haut niveau, appelé 80 PLUS Titanium, spécifie un rendement minimum pour une entrée de 115 VCA de 90 % à la fois à 10 % et à 100 % de la charge nominale, un rendement de 94 % à 50 % de la charge nominale, plus un facteur de puissance ≥ 95 % à 20 % de la charge nominale. Des rendements plus élevés sont requis pour une entrée de 230 VCA. De plus, les alimentations doivent être conformes à la norme CEI 61000-3-2, qui fixe des limites pour les harmoniques des lignes électriques.

Tableau 1 : Les normes de performances comme EnergyStar incluent les exigences pour le facteur de puissance et le rendement. (Source du tableau : onsemi)

Il existe deux approches PFC courantes : un convertisseur élévateur basé sur le redressement par diode, et une topologie totem-pôle plus complexe et plus efficace basée sur le redressement actif (Figure 1). La correction du facteur de puissance de convertisseur élévateur peut répondre aux exigences de facteur de puissance et de rendement de base, mais elle n'est pas adaptée aux exigences strictes telles que 80 PLUS Titanium. Par exemple, dans la correction PFC élévatrice, il peut y avoir des pertes de 2 % dans l'étage CC/CC, et des pertes de 1 % dans l'étage PFC et de redressement de ligne (ces pertes peuvent atteindre près de 2 % en cas de fonctionnement de ligne basse). Avec près de 4 % de pertes à ligne basse, il est difficile de répondre à la norme 80 PLUS Titanium exigeant un rendement de 96 % avec une entrée de 230 VCA et une charge de 50 %. Dans les applications qui exigent les plus hauts niveaux de rendement, les pertes dans l'étage PFC peuvent être réduites en remplaçant les redresseurs à diodes par un redressement synchrone.

Figure 1 : Deux topologies PFC courantes comprenant un convertisseur élévateur de base (à gauche) et un totem-pôle (à droite). (Source de l'image : onsemi)

Dans la topologie PFC totem-pôle ci-dessus, Q3 et Q4 constituent la branche lente qui met en œuvre le redressement synchrone à la fréquence de ligne, tandis que Q1 et Q2 forment la branche rapide qui élève la tension redressée à un niveau supérieur, tel que 380 VCC. Bien qu'il soit possible de mettre en œuvre un totem-pôle en utilisant des MOSFET à faible résistance à l'état passant (R_ON) pour Q1 et Q2, les pertes de commutation haute fréquence dues au recouvrement inverse des MOSFET réduisent le rendement. Par conséquent, dans de nombreuses conceptions PFC totem-pôle, les MOSFET silicium Q1 et Q2 sont remplacés par des commutateurs de puissance SiC ou GaN qui ne présentent que peu ou pas de pertes de recouvrement inverse.

Contrôle optimisé

Une autre décision lors de la conception PFC est la sélection de la technique de contrôle. Les PFC peuvent fonctionner en mode de conduction continue (CCM), en mode de conduction discontinue (DCM), ou en mode de conduction critique (CrM). Ces modes se distinguent par les caractéristiques de fonctionnement de l'inductance élévatrice (L1 dans la Figure 1). Le mode CCM fait le meilleur usage de l'inductance et maintient les pertes par conduction et dans le fer à un niveau bas, mais présente une commutation dure et des pertes dynamiques plus élevées. Le mode DCM peut être efficace pour un fonctionnement à basse consommation, mais il souffre de courants de crête et efficaces relativement élevés, entraînant des pertes par conduction et dans le fer plus importantes dans l'inductance.

Le mode CrM peut fournir un rendement plus élevé dans des conceptions jusqu'à quelques centaines de watts. Avec le mode CrM, les variations de la tension de ligne et du courant de charge sont surveillées, et la fréquence de commutation est ajustée pour fonctionner entre le mode CCM et le mode DCM. Le mode CrM présente de faibles pertes au déblocage et limite le courant de crête à deux fois le courant moyen, ce qui permet de maintenir les pertes par conduction et dans le fer à un niveau raisonnable (Figure 2).

Figure 2 : Le courant de crête (Ipk) de l'inductance élévatrice PFC CrM est limité à deux fois le courant de ligne d'entrée. (Source de l'image : onsemi)

Cependant, l'utilisation du mode CrM présente certains défis :

• Il s'agit d'une topologie à commutation dure, et le recouvrement direct du dispositif élévateur ajoute des pertes et peut provoquer un dépassement de la tension de sortie.
• À faibles charges, il fonctionne à des fréquences très élevées, augmentant les pertes de commutation et réduisant le rendement.
• Il y a quatre dispositifs actifs à contrôler, plus la nécessité de détecter le courant nul dans l'inductance PFC et de réguler la tension de sortie.

Le mode CrM peut être implémenté en utilisant des capteurs en circuit avec un microcontrôleur (MCU) pour exécuter les algorithmes de commande complexes. Le codage des algorithmes pour tenir compte des défis de performances décrits ci-dessus est risqué et prend du temps, ce qui peut retarder la mise sur le marché.

Totem-pôle sans code

Pour répondre à ces préoccupations, les concepteurs peuvent se tourner vers le contrôleur à signaux mixtes NCP1680ABD1R2G d'onsemi qui fournit une solution PFC totem-pole CrM intégrée et sans code. Le contrôleur en boîtier SOIC-16 est qualifié AEC-Q100 pour les applications automobiles et présente une détection du courant résistive à faible perte économique. Il intègre une protection de limitation du courant cycle par cycle sans avoir besoin d'un capteur à effet Hall (Figure 3). La boucle de commande de tension numérique compensée en interne optimise les performances sur toute la plage de charge, simplifiant ainsi la conception PFC.

Figure 3 : Le contrôleur CrM NCP1680 utilise la détection du courant résistive efficace et économique (ZCD dans le coin inférieur droit du schéma). (Source de l'image : onsemi)

Circuit d'attaque de grille haute vitesse

Le contrôleur NCP1680 peut être associé au circuit d'attaque de grille haute vitesse NCP51820 en boîtier QFN de 4 millimètres (mm) x 4 mm à 15 broches d'onsemi. Il est conçu pour être utilisé avec des transistors à haute mobilité électronique (HEMT) GaN GIT et des commutateurs de puissance GaN à mode d'enrichissement (e-mode) dans des topologies en demi-pont (Figure 4).

Figure 4 : Les contrôleurs NCP1680 (à gauche) peuvent être associés au circuit d'attaque de grille haute vitesse NCP51820 (à droite) pour commander des dispositifs de puissance GaN dans une topologie PFC totem-pôle. (Source de l'image : onsemi)

Par exemple, le NCP51820AMNTWG présente des délais de propagation courts et adaptés, ainsi qu'une plage de tensions de mode commun pour la commande haut potentiel de -3,5 V à +650 V (typique). Les étages du circuit d'attaque sont dotés de régulateurs de tension dédiés pour protéger les grilles des dispositifs GaN contre les contraintes de tension. Les circuits d'attaque de grille NCP51820 incluent une protection contre le blocage thermique et le verrouillage en cas de sous-tension (UVLO).

Pour accélérer la mise sur le marché, les concepteurs peuvent utiliser la carte d'évaluation (EVB) NCP51820GAN1GEVB. Cette carte d'évaluation permet aux concepteurs d'explorer les performances des circuits d'attaque NCP51820 pour commander efficacement deux commutateurs de puissance GaN dans une configuration totem-pôle. La carte NCP51820GAN1GEVB est conçue sur un circuit imprimé à quatre couches, de 1310 millièmes de pouce (mil) x 1180 mil. Elle inclut le circuit d'attaque GaN NCP51820 et deux commutateurs de puissance GaN e-mode dans une configuration en demi-pont (Figure 5).

Figure 5 : La carte d'évaluation NCP51820GAN1GEVB inclut un circuit d'attaque NCP51820 et deux commutateurs GaN e-mode dans une configuration en demi-pont. (Source de l'image : onsemi)

Suggestions de conception

Il existe quelques suggestions de conception simples que les concepteurs peuvent suivre pour obtenir les meilleures performances en utilisant ces circuits intégrés. Par exemple, pour éviter le couplage de bruit dans le trajet du signal et le déclenchement accidentel du circuit d'attaque de grille NCP51820, onsemi recommande que les signaux de commande (PWMH et PWML) du NCP1680 soient filtrés directement à l'entrée du circuit intégré d'attaque de grille. Une résistance de 1 kilo-ohm (kΩ) et un condensateur de 47 picofarads (pF) ou de 100 pF placés directement sur la broche du circuit d'attaque peuvent fournir un filtrage adéquat (Figure 6).

Figure 6 : Le filtrage des signaux de commande PWMH et PWML du NCP1680 directement à l'entrée du circuit intégré d'attaque de grille NCP51820 peut permettre d'éviter les effets de bruit, comme le déclenchement accidentel du NCP51820. Le filtrage est réalisé ici à l'aide de résistances de 1 kΩ (au milieu à gauche) et de condensateurs de 47 pF (au milieu à droite). (Source de l'image : onsemi)

Le mode de saut/veille du NCP1680 permet d'obtenir de très bonnes performances à vide et à faibles charges, mais il doit être déclenché de manière externe en pulsant la broche PFCOK ou en mettant à la terre la broche SKIP et en interfaçant avec le contrôleur de mode résonant NCP13992 (Figure 7). Les valeurs des composants des circuits d'interface doivent être similaires à celles de la carte d'évaluation NCP1680. En fonctionnement normal, la broche PFCMODE du contrôleur de mode résonant NCP13992 correspond à la tension de polarisation VCC du contrôleur. Elle émet une impulsion à la terre lorsque le convertisseur passe en mode de saut. Pour passer en mode de saut, la broche PFCOK doit être en dessous de 400 millivolts (mV) pendant plus de 50 microsecondes (μs).

Figure 7 : Exemple de circuit de déclenchement externe nécessaire pour invoquer le mode de saut/veille dans le NCP1680. (Source de l'image : onsemi)

Conclusion

Répondre simultanément aux exigences en matière de rendement, de compatibilité électromagnétique et de facteur de puissance des dernières normes EnergyStar, telles que 80 PLUS Titanium, peut s'avérer difficile avec une topologie PFC de convertisseur élévateur typique. Les concepteurs peuvent se tourner vers une topologie PFC totem-pôle. Comme illustré, l'utilisation du contrôleur à signaux mixtes NCP1680 et des composants de support d'onsemi — circuit d'attaque de grille NCP51820, carte d'évaluation, bonnes pratiques de conception — permet aux concepteurs de rapidement mettre en œuvre une solution PFC totem-pôle CrM tout en respectant les normes requises.

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