はじめに

すべての力率補正 (PFC) トポロジの中で、トーテムポール ブリッジレス PFC は最高の効率を実現しているため、サーバーとデータセンターで広く使用されています。ただし、連続導通モード (CCM) のトーテムポール ブリッジレス PFC の電流制御ループを閉じることは、従来型の PFC ほど簡単ではありません。CCM で動作する従来型の PFC は、図 1 に示すように、平均電流モード コントローラ [1] を使用します。ここで、V_REF は電圧ループ基準、V_OUT は検出された PFC 出力電圧、Gv は電圧ループ、V_IN は検出された PFC 入力電圧、I_REF は電流ループ基準、I_IN は検出された PFC インダクタ電流、G_I は電流ループ、d はパルス幅変調 (PWM) のデューティ比です。ブリッジ整流器は従来型の PFC で使用されるため、これらすべての値は正であり、電流帰還信号 I_IN は整流された入力電流信号となります。

新しい帰還信号

トーテムポール ブリッジレス PFC のインダクタ電流は双方向なので、従来型の PFC で使用されている電流センス方式は動作しません。代わりに、双方向インダクタ電流を検出して制御ループに帰還信号を提供するための、ホール効果センサなどの双方向電流センサが必要になります。

ただし、ホール効果センサの出力は、検出された電流と 100% 一致しません。たとえば、検出された電流が正弦波の場合、図 2 に示すように、ホール効果センサの出力は DC オフセット付きの正弦波になります。したがって、図 1 に示す電流モード コントローラで帰還信号として使用できないため、この新しい帰還信号に対応してコントローラを変更する必要があります。このパワー ヒントでは、この新しい帰還信号を使用して電流制御ループを閉じる 3 つの方法について説明します。

方法 1：負のループ基準を持たないコントローラ

テキサス・インスツルメンツ (TI) の UCD3138 など、一部のデジタル コントローラはハードウェア ステート マシンを使用して制御ループを実装しています。したがって、ステート マシンへのすべての入力信号はゼロ以上である必要があります。このような場合は、電流制御ループを閉じるために、以下の手順に従います。

1. 2 個の A/D コンバータ (ADC) を個別に使用して、AC ライン電圧と AC ニュートラル電圧を検出します。
2. 式 1 と図 3 に示すように、ファームウェアを使用して検出された V_AC 信号を整流します。
   式 1. $$\begin{array}{l}\text{ if }\left(V_L>V_N\right)*V_{IN}=V_L-V_N\hfill \\ \text{ else }{V}_{IN}=V_N-V_L\hfill \end{array}$$
   図 3 式 1 に示すファームウェアを使用して、検出された入力電圧 V_AC を整流。出典：テキサス・インスツルメンツ
3. 式 2 および図 4 に示すように、従来型の PFC で I_REF を計算するときと同じ方法を使用して、正弦波リファレンス電圧 V_SINE を計算します。
   式 2. $$V_{SINE}=\frac{G_V\times V_{IN}}{V_{IN\_RMS}^2}$$
   図 4 従来型の PFC で I_REF を計算するときと同じ方法を使用して、正弦波リファレンス電圧 (V_SINE) を計算。出典：テキサス・インスツルメンツ
4. ホール効果センサ出力を、電流帰還信号 I_IN として直接使用します (式 3)。
   式 3. $$I_{IN}=Hall-effectsensoroutput$$
5. 正の AC サイクルの間、V_SINE とホール効果センサ出力の形状を比較すると、これらの形状は同じになります。唯一の違いは DC オフセットです。式 4 を使用して、電流ループ基準 I_REF を計算します。
   式 4. $$I_{REF}=V_{SINE}+DCoffset$$
6. 制御ループには標準的な負の帰還制御があります。式 5 を使用して、制御ループに流入する誤差を計算します。
   式 5. $$Error=I_{REF}-I_{IN}$$
7. 負の AC サイクルの間、V_SINE とホール効果センサの出力の形状を比較すると、DC オフセットだけでなく、これらの形状も反対になります。式 6 を使用して、電流ループ基準 I_REF を計算します。
   式 6. $$I_{REF}=DCoffset-V_{\text{SINE}}$$
8. 負の AC サイクル中は、インダクタ電流が大きいほど、ホール効果センサの出力値は小さくなります。制御ループは、負の帰還から正の帰還に変更する必要があります。式 7 を使用して、制御ループに流入する誤差を計算します。
   式 7. $$Error=I_{IN}-I_{REF}$$

方法 2：純粋なファームウェア ベースのコントローラ

TI C2000 マイコンのような純粋なファームウェアベースのデジタル コントローラの場合、制御ループはファームウェアで実装されているため、内部計算パラメータは正の値にも負の値にもなります。このような場合は、電流制御ループを閉じるために、以下の手順に従います。

1. 2 個の ADC を使用して、AC ライン電圧と AC ニュートラル電圧を検出します。次に、ライン電圧を使用してニュートラル電圧を減算すると、式 8 および図 5 に示すように、V_IN が得られます。
   式 8. $$V_{IN}=V_L-V_N$$
   図 5 ライン電圧を使用してニュートラル電圧を減算した後で、V_IN を計算。出典：テキサス・インスツルメンツ
2. 式 9 および図 6 に示すように、従来型の PFC と同じ方法を使用して、正弦波電流ループ基準 I_REF を計算します。
   式 9. $$I_{REF}=\frac{G_V\times V_{IN}}{V_{IN\_RMS}^2}$$
   図 6 従来型の PFC と同じ方法で I_REF を計算。出典：テキサス・インスツルメンツ
3. I_REF とホール効果センサの出力の形状を比較すると、これらの形状は同じですが、DC オフセットのみが違います。式 10 を使用して、入力電流帰還信号 I_IN を計算します。図 7 に波形を示します。
   式 10. $$I_{IN}=Hallsensoroutput-DCoffset$$
   図 7 I_IN を計算するためのホール センサ出力と DC オフセットの波形。出典：テキサス・インスツルメンツ
4. 正の AC サイクル中、制御ループは標準的な負の帰還制御を行います。式 11 を使用して、制御ループに流入する誤差を計算します。
   式 11. $$Error=I_{REF}-I_{IN}$$
5. 負の AC サイクル中、インダクタ電流が大きいほど、ホール効果センサの出力値は小さくなります。したがって、制御ループを負の帰還から正の帰還に変更する必要があります。式 12 を使用して、制御ループに流入する誤差を計算します。
   式 12. $$Error=I_{IN}-I_{REF}$$

方法 3：デューティ比フィードフォワード制御

全高調波歪み (THD) に関する要件は、特にサーバーやデータ センターのアプリケーションで厳しくなっています。THD を低減するには、制御ループの帯域幅をより広くする必要があります。帯域幅が広いと位相マージンが減少し、ループが不安定になります。また、PFC スイッチング周波数が制限されていることも、帯域幅が非常に広くなることを防止します。この問題を解決するために、事前に計算されたデューティ サイクルを制御ループに追加して PWM を生成することができます。これを、デューティ比フィードフォワード制御 (d_FF) [2]、[3] と呼びます。

CCM モードで動作する昇圧トポロジの場合、式 13 から d_FF を計算します。

このデューティ比パターンでは、スイッチング サイクル全体の平均値が整流された入力電圧と等しくなるように、効果的にスイッチ両端に電圧が生成されます。通常の電流ループ補償器は、この計算されたデューティ比パターンを中心にして、デューティ比を変化させます。ライン周波数における昇圧インダクタのインピーダンスは非常に低いため、デューティ比がわずかに変動すると、インダクタ両端に必要な正弦波電流波形が生成されるのに十分な電圧が生成され、電流ループ補償器の帯域幅を広くする必要がありません。

その結果の制御方式を 図 8 に示します。計算された d_FF を従来の平均電流モード制御出力 d_I に追加すると、PFC を制御するために PWM 波形の生成に使用される最終的なデューティ比 d が得られます。

トーテムポール ブリッジレス PFC で d_FF の利点を活用するには、次の手順に従って電流ループを閉じます。

1. 方法 2 の手順 1、2、3、4、5 に従います。
2. 式 14 に示すように、d_FF を計算します。V_IN は正弦波で、負の AC サイクルの間でその値は負であるため、計算にはその絶対値を使用します。
   式 14. $$d_{FF}=\frac{V_{OUT}-\left|V_{IN}\right|}{V_{OUT}}$$
3. 式 15 を使用して、d_FF を G_I 出力 d_I に追加し、最終的な d を得ます。

また、ハードウェア ステート マシン ベースのコントローラに d_FF 制御を使用することもできます。詳細については、リファレンス [2] を参照してください。

電流ループの閉鎖

トーテムポール ブリッジレス PFC の電流ループを閉じることは、従来型の PFC ほど簡単ではありません。また、コントローラによって異なることもあります。このパワー ヒントは、トーテムポール ブリッジレス PFC で制御ループを実装する際の混乱を解消し、設計に適した方法を選択するのに役立ちます。

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参考資料

1. Dixon, Lloyd. 『オフライン電源向けの力率の高いプリレギュレータ』テキサス・インスツルメンツ パワー サプライ デザイン セミナー SEM600、文献番号 SLUP087、1988 年。
2. Sun, Bosheng.『デジタル制御 PFC のデューティ比フィードフォワード制御』電源システム設計、2014 年 12 月 3 日。
3. Van de Sype、David M.、Koen De Gussme é、Alex P.M. Van den Bossche、Jan A. Melkebeek。『デジタル制御昇圧 PFC コンバータのデューティ比フィードフォワード』IEEE Transactions on Industrial Electronics 52, no. 1 (2005 年 2 月)、pp. 108～115。

この記事は、以前 EDN.com で公開された記事です。