PFCトポロジーの比較研究 : インターリーブ方式昇圧 vs.トーテムポールPFCトポロジー
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はじめに
より多くの電気を動力とするデバイスがグリッドに接続されると、電力グリッドへの歪みが増大し、配電網で問題を生じる可能性があります。これらの問題を軽減するために、電源供給の設計では、厳しい力率 (PF) 基準を満たす高度な力率補正 (PFC) 回路が必要です。
力率補正に最も一般的に使用されるトポロジーは昇圧PFCですが、GaNやSiCなどのワイドバンドギャップ (WBG) 半導体の出現により、トーテムポールPFCのようなブリッジレストポロジーの実現が可能になりました。さらに、MPF32010のような先進のトーテムポールコントローラは、インターリーブ方式のトーテムポールPFCのような複雑な設計の制御を簡素化しました。本稿では、これら3つのトポロジーを異なるアプリケーションで使用した場合について比較します。
インターリーブ方式昇圧PFC
インターリーブ方式昇圧PFCは、力率補正の最も一般的なトポロジーです。このトポロジーは、AC電圧をDC電圧に変換する整流ダイオードブリッジに加えて、昇圧コンバータを使用します (図1参照)。次に、昇圧コンバータは、電圧をより高い値まで昇圧します。これにより、電流を正弦波に整形しながら出力電圧リップルが低減されます。
図1 : インターリーブ方式昇圧PFC概略図
力率補正は、1つの昇圧コンバータのみを使用して実現できますが、多くの場合、2つ以上のコンバータが並列に接続され、コンバータ間で位相シフトをもたせます。これはインターリーブと呼ばれ、効率を向上し、入力電流リップルを低減します。
ブリッジレス・トーテムポールPFC
パワースイッチ用の新しい半導体材料、特に炭化ケイ素 (SiC) は、これまでシリコンの熱的および電気的特性によって制限されていた設計を実現可能にしました。これらの設計の1つはブリッジレス・トーテムポールトポロジーで、これは整流と昇圧段階を統合し、異なる周波数で動作する2つのスイッチングブランチを使用します (図2参照)。
図2 : ブリッジレス・トーテムポールPFC回路図
最初のブランチは低速ブランチ (SD1およびSD2) と呼ばれ、グリッド周波数 (例 : 50Hz～60Hz) で転流します。このブランチ回路は従来のシリコンスイッチを使用しており、主に入力電圧を整流します。第2のブランチは高速ブランチ (Q1およびQ2) と呼ばれ、電圧を上昇させながら電流を整形します。このブランチは非常に高い周波数 (約100kHz) で切り替える必要があります。より高い周波数での高電力スイッチングは、スイッチに大きな熱的および電気的歪みを与えるため、コンバータが安全かつ効率的に動作するためには、SiCおよびGaN MOSFETなどのWBG半導体デバイスが必要です。
このトポロジーは、一般的に、インターリーブ方式昇圧コンバータと比較して性能が向上します。ただし、アクティブスイッチを追加すると、制御回路がより複雑になります。この問題は、統合されたトーテムポールコントローラを実装することで軽減されることがよくあります。
インターリーブ方式トーテムポールPFC
ブリッジレス・トーテムポールPFCの効率を向上するために、高周波ブランチを追加して、インターリーブ方式トーテムポールPFCを作り出せます。ブランチを追加すると、コンバータの出力電圧リップルが減少し、コンバータの電力要件がすべてのブランチで均等に分散されます。これにより、レイアウトサイズと全体的なコストの両方が最小限に抑えられます。
図3 : インターリーブ方式ブリッジレス・トーテムポールPFC
PFCトポロジーを比較する実験的設計
動作パラメータ
さまざまな状況でトポロジーを比較するために、2つの電力レベルに対して一連のシミュレーションモデルが開発されました。結果を比較できるようにするため、同じシステム仕様が使用されています (表1参照)。
表1 : システム仕様
比較パラメータ
さまざまなトポロジーを比較するために、主要なパラメータが定義されました。これらのパラメータについて、以下で説明します。
入力電流リップル (ΔIIN) : ΔIINは、入力電流の変動を示し、単一のスイッチング期間における入力電流の最大値と最小値の差として測定されます。ΔIINは、式 (1) で推定できます :
電流の全高調波歪み (THDI): THDIは、フィルタが存在しない場合の入力電流に存在する高調波歪みの測定値です。THDIは、式 (2) で推定できます :
誘導性エネルギー指数 (IEI) と容量エネルギー指数 (CEI) : これらの指数は、単位電力あたりのコンバータのインダクタンスと静電容量の要件に関する情報を提供します (式3および式4参照)。これらのパラメータは、部品の最終的なサイズとコストに厳密に関連しています。IEIは、 式(3)で推定できます:
CEIは、式 (4) で推定できます :
全スイッチング電力指数 (TSP): TSPは、コンバータの半導体デバイスの電圧と電流ストレスを、電源ユニットごとに比較します (シリコンの相当面積と同様)。TSPは、コンバータ内のシリコンデバイスの最終的なコストに大きく関係しています。TSPは、式 (5) で推定できます :
効率 (ƞ) : 効率は、力率補正回路によって失われるエネルギー量を比較します。これは、回路によって引き出される入力電力と出力で利用可能な電力の比率として計算されます (式5参照)。効率によって、どのトポロジーで電力損失が最小になるかが決まります。効率は、式 (6) で推定できます :
トーテムポールPFC vs. インターリーブ方式昇圧PFCの結果
最初のテストでは、300Wアプリケーションの3つのトポロジーすべてをシミュレートしました。この電力レベルは、コンピュータの電源装置でよく使用されます。2番目のテストは3kWで実行されました。これは、EV充電などのアプリケーションでよく使用される、はるかに高い電力レベルです。
トポロジー間の比較により、各トポロジーに関する一般的な結論を導き出すことができます。ただし、こういった設計の性能は、選択したデバイスとそれらが適用する動作パラメータに大きく依存します。したがって、設計者は、実装する設計を慎重に検討し、アプリケーションに合わせて設計を最適化する際に細心の注意を払う必要があります。これを説明するために、電力損失の分析は、デバイスの損失のみ考慮して実行してきましたが、同様のデバイスはすべてのトポロジーで使用されています。
トーテムポールPFCでの電力の利点
トポロジー構造を比較する場合に、まず重要な側面は、トーテムポールPFCに整流ブリッジが含まれず、スイッチングデバイスの数が減ることです。昇圧コンバータのダイオードブリッジは常に導通しているため、導通損失はこのトポロジーの効率にとって非常に重要な要素になります。低電力では、コンバータの電流は比較的小さいので、電力損失の大部分はスイッチング動作中に発生します。これが、昇圧およびトーテムポールPFCトポロジーが300Wのアプリケーションで同様の効率である理由です (図4参照)。従来のトーテムポール設計とインターリーブ方式トーテムポールの設計では損失にほとんど違いがないため、簡単にするため、インターリーブ方式昇圧コンバータとトーテムポールコンバータ間で効率の比較をしました。
図4 : 300W設計での電力損失
3kWで動作している場合、回路の電流は大幅に大きくなり、整流ダイオードの等価抵抗が高いため、昇圧トポロジーで大きな導通損失が発生します。このため、トーテムポールPFCは、高電力アプリケーションでは、はるかに効率的です (図5参照)。
図5 : 3kW設計での電力損失
インターリーブ方式昇圧とトーテムポールPFCの効率向上
昇圧とトーテムポールPFCトポロジーの比較で、もう1つの重要な側面は、動作モードです。トーテムポールトポロジーは通常、連続導通モード (CCM) で動作しますが、インターリーブ方式昇圧トポロジーは臨界導通モード (CrCM) で動作します。連続導通モード動作により、インダクタ電流リップルとTHDIが大幅に減少します。一方、臨界導通モードははるかに小さいインダクタンスしか必要とせず、誘導性エネルギー指数 (IEI) が低くなります (図6参照)。
図6 : 入力電流シミュレーションの結果
ただし、THDIの増加、つまり、昇圧PFCは、電力の品質要件を満たすために大きな入力フィルタが必要です。これは、インダクタを失うことによって得られる利点 (コストとサイズの削減) が損なわれます。さらに、スイッチ間の電流は連続導通モードよりも臨界導通モードの方がはるかに大きいため、スイッチング部品に電圧と電流のストレスが加わります (図7を参照)。
図7 : インダクタを流れる電流のシミュレーション結果
複数のコンバータを並列に接続すると、電流ストレスが複数の相に分散されるため、パフォーマンスが向上します。それ自体では、単一のノンインターリーブ方式昇圧コンバータは、トーテムポールPFCの効率と性能に匹敵することはできません。ただし、複数の昇圧コンバータをインターリーブすることにより、パフォーマンスが大幅に向上し、インターリーブ方式昇圧トポロジーは、上記の300Wの例などのミッドレンジ電力アプリケーションの有効なオプションになります (図8参照)。
高電力では、インターリーブ方式昇圧コンバータでさえ、トーテムポールトポロジーの効率と同じにするのは大変です。さらに、3kW以上のアプリケーションでは、トーテムポールコンバータでさえインターリーブの恩恵を受けられます。電流要件を2つのブランチに分割することで、各ブランチのインダクタンスが半分になり、電源スイッチの要件が緩和されると同時に、入力電流リップルが減少します。
図8 : インターリーブ方式昇圧PFCのインダクタ電流
表2は、3つのPFCトポロジー間のさまざまなパラメータをまとめたものです。表2 : PFCトポロジー比較のミュレーション結果
結論
本稿では、シミュレーションと主要な比較パラメータを使用して、インターリーブ方式昇圧、トーテムポール、およびインターリーブ方式トーテムポールPFCトポロジーの主な特性を説明し、設計者がアプリケーションに最適なトポロジーを選択できるようにしました。
昇圧PFCトポロジーの単純さによって、ほとんどの設計者にとって頼りになるソリューションとなっています。ただし、昇圧PFCは、高電力アプリケーションでは効率が低下します。このような場合、複雑さが増すにもかかわらず、トーテムポールPFCトポロジーが適切な場合があります。MPF32010のような統合されたトーテムポールコントローラの導入により、トーテムポールPFCコンバータの実装が大幅に簡素化されました。
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