ACブリッジのアクティブスイッチによる効率の向上

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電力変換効率と電力密度の向上は、常に電源業界の主要な目標です。過去10年間で、電源IC、トポロジー、および制御スキームの開発のおかげで、驚異的な進歩がありました。スーパージャンクションMOSFET、SiCダイオード、および最新のGaN FETの進化により、より高い周波数でより高いスイッチング効率が保証されます。同時に、高度なトポロジーとそれに対応する制御スキームの実装が急速に発展しています。その結果、導通損失とスイッチング損失のバランスが最適化された動作点を完全に実現することが可能になりました。

ただし、ACライン電圧を整流するためにフロントエンドとして通常採用されるダイオードブリッジは、依然として重要な問題として残っており、効率と電力密度の向上を妨げています。高電圧整流ダイオードの順方向電圧降下は、通常、約1Vです。これは、主電流経路に2つのダイオードがあると、特に低ライン入力で合計効率の損失が1%を超える可能性があることを意味します。

たとえば、今日最も一般的な効率規制の1つである80 PLUSについて考えてみましょう。80 PLUSのTitaniumグレードでは、230VACで96%のピーク効率、115VACで94%のピーク効率を要求しています。第2段階のDC/DC効率が98%とかなり高いので、ブリッジはその高い伝導損失のために、PFC段階の予算の大部分を簡単に消費する可能性があります。さらに、ダイオードブリッジは電源の中で最も高温になる可能性があるため、電力密度が制限され、熱設計に別の挑戦課題が生じます。

ブリッジでの電力損失の削減は、電源業界にとって次の重要なマイルストーンです。この問題に対処するソリューションはすでにあります。最も一般的なのは、デュアル昇圧ブリッジレスPFCとトーテムポールPFCの2つです。図1は、両方のトポロジーで、同期整流ダイオードの数がメイン電流経路の2から1に減り、ブリッジの伝導損失が節約されることを示しています。

図1: ブリッジレスPFCのトポロジー

進行中の研究とリファレンスデザインは、有望な結果を示しています。しかしながら、これらのソリューションは量産のコンシューマ市場での生産で広く採用されているわけではありません。いまだに、証明済みの堅牢性や信頼性とともに競争力のあるBOMコストを提供できる洗練されたICソリューション開発の道半ばだからです。デュアル昇圧ブリッジレスPFCでは、コモンモードノイズを抑制するために、追加のかさばるパワーインダクタが必要です。これは、コストとサイズの点からはマイナスです。通常、トーテムポールPFCには、ハイサイドドライバや絶縁型電流検出などの高価な部品が必要です。それだけでなく、これらの設計のほとんどはDSPベースであるか、従来のPFCコントローラIC上に多数のディスクリート部品を使用して構築されています。

ブリッジレス実装を備えた新しいコントローラICの進化を待つ代わりに、別のシンプルで迅速な代替手段を使用すると、ブリッジでの電力損失を即座に削減できます。基本的な考え方は、2つのローサイド同期整流ダイオードを同期整流MOSFETに置き換えることです。その間、すべての電力段とコントローラICを含む残りの電源設計は同じままです。図2は、MPSのMP6925Aを使用した場合のコンセプトを示しています。MP6925A は、外付け部品がほとんど必要ないデュアルチャネル同期整流ドライバです。

図2: ローサイドブリッジに同期整流MOSFETを備えたブリッジ

MP6925Aは通常、LLCコンバータで使用されます。ドレイン-ソース間電圧 (VDS) の検出に基づいて、2つのMOSFETをアクティブに駆動します。ACブリッジのローサイドダイオードを置き換えるようにシステムを設定する場合、2つの高電圧JFET (QJ1およびQJ2) を使用して、VDS検出中に高電圧をクランプします。MOSFETのボディダイオードの1つを電流が流れると、VDSの負のしきい値がトリガーされ、ドライバは対応するMOSFETをオンにします。MOSFETの導通中、ドライバは対応するゲート電圧を調整して、電流が低すぎてVDSターンオフしきい値をトリガーできなくなるまで、VDSを特定のレベル未満に保ちます。図3に代表的な動作波形を示します。

a) 115VAC入力、フル負荷

b) 115VAC 、20%負荷

図3: 同期整流MOSFETの代表的な波形

競合する同期整流ドライバは、非常に高速なターンオフ機能を備えている必要があります。たとえば、MP6925Aは、等価の4.7nFゲート容量を駆動する場合、わずか35nsの遅延でゲートをオフにすることができます。その結果、この同期整流はMOSFETの逆電流を効果的に防止できます。さらに、これらのMOSFETは、2つのMOSFETが同時にオンになるのを防ぐ「アンチバウンス・ロジック」のよい効果を受けることができます。これにより、ソリューション全体が非常に信頼性が高く、シュートスルーのリスクがなくなります。

実験結果は、650V、99mΩ MOSFETがアクティブスイッチとして使用され、2つのローサイドブリッジダイオードを置き換えた120Wアダプタ設計に基づいて実行されました。図4は、ダイオードを同期整流MOSFETソリューションに置き換えた場合に効率がどのように改善されるかを示しています。115VAC低ライン入力では、全負荷効率が0.43%向上します。これは、総電力損失から0.5W以上が節約されることを意味します。これは、ほとんどのアプリケーションのパフォーマンスと熱設計の両方で大幅な改善です。

図4: 120Wアダプタ設計に基づく実験結果

強力な同期整流に基づくアクティブブリッジ・ソリューションは、従来のPFCのダイオードブリッジでの高い電力損失の問題を解決するための代替手段をすぐに提供します。順方向電圧降下が比較的一定のブリッジダイオードをMOSFETに置き換えることで、MOSFETのオン状態抵抗を低くして伝導損失を減らすことができます。同時に、電力損失の削減により、熱設計も簡素化されます。さらに、研究中の他の複雑なブリッジレス・ソリューションと比較すると、このソリューションは、外付け部品数の少ない高度なICコントローラに基づいています。これにより、このローサイドアクティブブリッジ・ソリューションは、実用的なアプリケーション向けの費用対効果が高く、すぐに使用できるソリューションになります。

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