制御システムで何かを制御するには、それを検出する必要があります。これは、力率補正 (PFC) アプリケーションにも当てはまります。電力レベルが >75W のオフライン電源では、PFC が入力電流を制御して正弦波を生成します (正弦波入力 AC 電圧に追従)。入力電流を制御するには、入力電流を検出する必要があります。
最も一般的な電流検出方法では、入力電流を検出するため、PFC グランド帰還パスにシャント抵抗 (図 1 の R) を配置し ます。検出された入力電流信号 (ISENSE) は、平均電流モード コントローラ [1] に送信されます (図 2 を参照)。基準電流 (IREF) は入力電圧 (VIN) で変調されるため、正弦波になります。制御ループが入力電流を強制的に IREF に追従させることで、正弦波を実現します。
ほとんどの連続導通モード (CCM) PFC コントローラは、従来型の平均電流モード制御を使用します。従来型の平均電流モード制御は優れた力率を達成し、全高調波歪みが小さいという利点がありますが、特にトーテム ポール ブリッジレス PFC においていくつかの制限があります。この記事では、まったく新しい制御アルゴリズムである充電モード制御 [2] について説明します。
充電モード制御アルゴリズムは、制御における新しい概念です。対象物を制御するのにそれを検出する必要はなく、それがもたらす結果を検出することにより間接的に制御します。PFC の場合、この制御アルゴリズムは、入力電流を直接制御する代わりに、各スイッチング サイクルで PFC 出力に供給される電荷の量を制御します。このために、電荷を制御することで入力電流が正弦波になるようにする特殊な制御規則を使用します。
電荷量情報を取得するには、いくつかの方法があります。図 3 に、電流シャントと、積分器として構成したオペアンプ回路を使用する例を示します。PFC 昇圧スイッチがオフになると、インダクタ電流が PFC バルク コンデンサの充電を開始します。この電流はシャント抵抗で検出され、その後積分器で積分されます。積分器出力のピーク値は、各スイッチング サイクルで PFC 出力に供給される総電荷量を表します。この電荷 (VCHARGE) はコントローラによりサンプリングされ、制御ループの帰還信号として使用されます。積分器は、昇圧スイッチがオフになる前に、Q1 を介してゼロまで放電されます。
図 4 に、 PFC 出力側で電流トランス (CT) を使用する別の方法を示します。CT 出力は、コンデンサ C1 に接続します。PFC 昇圧スイッチがオフになると、インダクタ電流が PFC バルク コンデンサの充電を開始します。CT がこの電流を検出し、その出力が C1 を充電します。C1 の電圧が上昇します。C1 のピーク電圧は、PFC 出力に供給される総電荷を表します。ピーク電圧 VCHARGE はコントローラによりサンプリングされ、制御ループの帰還信号として使用されます。C1 は、昇圧スイッチがオフになる前に、Q1 を介して 0V まで放電されます。
図 5 に、充電モード制御の代表的な信号波形を示します。
各スイッチング サイクルの電荷量情報を取得する方法がわかったので、新しい制御規則を使用して正弦波入力電流波形を取得する方法を見てみます (図 6 を参照)。
図 2 に示す従来の制御規則と比較して、次の 2 つの違いがあります。
図 6 から、電流基準 IREF は次の式で計算されます。
ここで、IREF は電流ループの基準電流、A は電圧ループ出力 GV、B は VIN のフィードフォワード制御に使用される Vrms2、C は VIN2 です。
図 5 から、各スイッチング サイクルの平均インダクタ電流は式 2 で計算されます。
ここで、IAVG は平均インダクタ電流、I1 は各スイッチング サイクルの開始時のインダクタ電流、I2 は各スイッチング サイクルのインダクタ電流ピーク値、TON は昇圧スイッチ Q のターンオン時間、TOFF は昇圧ダイオード D の導通時間、T はスイッチング周期です。
各スイッチング サイクルの C1 (VCHARGE) のピーク電圧は、式 3 で計算されます。
ここで、C は C1 の容量です。
定常状態では、制御ループは VCHARGE を強制的に IREF に一致させます (式 4 を参照)。
定常状態で動作する昇圧タイプのコンバータでは、昇圧インダクタに印加されるボルト秒を各スイッチング周期で平衡させる必要があります (式 5 を参照)。
式 6 で、定常状態では C と T は両方とも一定であり、GV、VOUT、Vrms2 は変化しないため、IAVG は VIN に追従します。VIN が正弦波の場合、IAVG も正弦波となるので、PFC が実現されます。式 2 と式 3 は CCM と不連続導通モード (DCM) の両方に対して有効であるため、式 6 は CCM と DCM の両方の動作に対して有効です。