JAJT263 january   2023 UCD3138

 

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  2. 1概要
  3. 2CCM PFC のピーク電流モード制御
  4. 3DCM PFC のピーク電流モード制御
  5. 4テスト結果
  6. 5まとめ
  7. 6関連資料

2 CCM PFC のピーク電流モード制御

ピーク電流モード制御 [4] は DC/DC コンバータで広く使用されていますが、PFC はピーク電流ではなく平均電流を制御する必要があるため、PFC には適していません。インダクタのピーク電流を制御すると、THD が低下し、力率が低くなります。

図 4 に示すように、特殊な PWM ジェネレータを使用することで、PFC のピーク電流モード制御が可能になります。図 4 では、検出されたスイッチング電流 IQ がのこぎり波と比較されます。のこぎり波ピーク電圧 (VRAMP) は各スイッチング期間の開始時に開始され、その振幅はスイッチング期間の終了時に 0V まで直線的に低下します。スイッチング期間の開始時に、昇圧スイッチ (Q) がオンになります。IQ がのこぎり波を超えると Q はオフになります。

この種の PWM ジェネレータは、テキサス・インスツルメンツの C2000™ リアルタイム・マイコンや UCD3138 など、ほぼすべてのデジタル・パワー・コントローラにすでに搭載されています。これらのデジタル・コントローラには、プログラム可能なスロープ補償を備えたピーク電流モード制御モジュールが搭載されています。VRAMP/T のスロープで補償をプログラムすると、目的ののこぎり波が生成されます。

GUID-20221214-SS0I-ZB6X-KXWJ-QBVF7RC2ZPFJ-low.svg 図 4 CCM で提案される方法の PWM 波形生成。

力率を 1 にするために、式 1 は、のこぎり波 VRAMP のピーク値を次のように計算します。

式 1. V R A M P = G v * V o u t + T o n * V o u t * R 2 * L

ここで、GV は電圧ループ出力、Vout は PFC 出力電圧、L は昇圧インダクタのインダクタンス、R は電流トランス出力の電流センス抵抗、Ton は PFC PWM オン時間です。

PWM オン時間は、連続する 2 つのスイッチング・サイクルでほぼ同じであるため、前のスイッチング・サイクルの Ton 情報を使用して、今回のスイッチング・サイクルの VRAMP 値を計算できます。

この制御方式で力率を 1 にする方法をご確認ください。図 3 から、Ton 時間の間に入力電圧がインダクタに印加され、インダクタ電流が I1 から I2 に上昇します。採用 式 2：

式 2. I 2 - I 1 = V i n * T o n L

ここで、Vin は PFC 入力電圧です。式 3 は、各スイッチング・サイクルの平均インダクタ電流を次のように計算します。

式 3. I a v g = ( I 1 + I 2 ) 2

式 2 を 式 3 に代入すると、式 4 のようになります。

式 4. I a v g = I 2 - V i n * T o n 2 * L

図 4 から、式 5 は次のようになります。

式 5. I 2 * R V R A M P = T o f f T

式 6 は、定常状態の CCM で動作する PFC に適用されます。

式 6. T o f f T = V i n V o u t

式 6 を 式 5 に代入して I2 について解くと、式 7 のようになります。

式 7. I 2 = V R A M P * V i n R * V o u t

式 1 と 式 7 を 式 4 に代入すると、式 8 のようになります。

式 8. I a v g = G v R * V i n + V i n * T o n 2 * L - V i n * T o n 2 * L = G v R * V i n

式 8 で、GV は PFC 電圧ループ出力であり、定常状態では一定です。したがって、Iavg は Vin に比例し、Vin の形状に従います。Vin が正弦波の場合、Iavg も正弦波になります。インダクタのピーク電流を制御することで、力率を 1 にすることができます。

従来の平均電流モード制御と比較して、この方法では電流シャント抵抗による電力損失がなくなります。また、正確なサンプリング位置が必要な電流トランスの検出方式と比較して、この方法では電流をサンプリングする必要がありません。代わりに、アナログ・コンパレータが PWM オフの瞬間を決定し、サンプル・オフセットの問題を解消しています。

システム・コストを削減するために、1 つのコントローラで PFC と DC/DC コントローラの両方を制御するコンボ制御を好む設計者もいます。コンボ・コントローラは、AC/DC 電源の 1 次側と 2 次側のどちらにも配置可能で、それぞれに長所と短所があります。コンボ・コントローラを 1 次側に配置する場合、DC/DC 出力電圧と電流の情報は絶縁境界を越えて 1 次側に送信する必要があり、コントローラとホスト間の通信も絶縁境界を越える必要があります。コンボ・コントローラを 2 次側に配置する場合、従来の平均電流モード制御方法では入力 AC 電圧情報が必要となるため、入力電圧を検出し、電流ループ基準を変調するために使用する必要があります。絶縁境界を越えて入力電圧を検出することは難しいことです。

新しい制御方法では、式 1 には Vout のみが含まれ、Vin は含まれません。Vin を検出する必要がないため、Vin 検出回路をなくすことができます。この制御方法では、電流トランスの出力と Vout の情報のみが必要です。電流トランスで絶縁されているため、低コストのフォトカプラが Vout を検出し、それを 2 次側に送信できます。次に、PFC コントローラを AC/DC 電源の 2 次側に配置し、同じく 2 次側にある DC/DC コントローラと組み合わせてコンボ・コントローラを作成します。これにより、システム・コストが大幅に削減されます。