Konstant hoher Wirkungsgrad durch Einsatz der Adaptive Cell
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white paper Konstant hoher Wirkungsgrad durch Einsatz der Adaptive Cell Converter Topologie in PFC Schaltungen mit Weitbereichseingang und hoher Leistungssdichte Themenpapier Von: Maurizio Salato, Director, Systems Engineering November 2012 Einführung Die Adaptive Cell™ Topologie, eine einzigartige und patentierte Schaltung, bildet das Herzstück der High Performane PFM® AC-DC Produkte von Vicor. Die Power Factor Correction bei der Netzgleichrichtung wurde in den letzten drei Jahrzehnten auf unterschiedliche Weise gelöst. Die Forderung nach einem für das weltweite Netz geeigneten Weitbereichseingang von 85Vrms bis 264 Vrms erforderte einige Kompromisse beim Design. Mit Ausnahme der tragbaren Ladegeräte wird die überwiegende Mehrheit der Geräte an einem spezifischen Standort eingesetzt und mit einer definierten einphasigen Netzspannung versorgt. Deren Abweichung schwankt üblicherweise im Bereich von ±20% um eine der meistgenutzten nominellen Spannungen von 100, 120 oder 230 Vrms. In diesem Artikel wird beschrieben, wie die Vicor PFM Wandler einen Durchbruch bei der AC Power Factor Correction darstellen. Hierzu wird der Wandler auf drei verschiedenen Ebenen analysiert: in einem klassischen Ansatz von unten nach oben wird die gleiche Schaltung mit drei unterschiedlichen Detailauflösungen betrachtet. Dies ermöglicht eine umfassende Erklärung und erläutert wie diese State-of-the-Art Eigenschaften erzielt werden. “Klassische” Power Factor Correction und Gründe für die Adaptive Cells Die Power Factor Correction Schaltungen wurden traditionell mit einer HochsetzstellerTopologie aufgebaut. Die einfachste Art, den Verlauf des Eingangsstromes an die Form der Eingangsspannung anzugleichen, ist der Einsatz eines Multiplizierers in einer kaskadierten Reglerschaltung, wie in Bild 1 dargestellt. Die Netzspannung wird gemessen und mit dem von der äußeren Spannungsregelschleife gelieferten Stromreferenzwert multipliziert. Die gleiche Netzspannung wird auch als feed-forward Wert genutzt, um eine stabile Bandbreite der Regelschleife über den gesamten Bereich der Netzspannung zu gewährleisten. Als Ergebnis wird die Ausgangsspannung durch eine variable Amplitude des Eingangsstroms geregelt, welcher wiederum möglichst genau der Kurvenform der Eingangsspannung folgt. Neuere Technologien, wie z.B. die One-Cycle Control (OCC) in Bild 2 basieren auf einer verbesserten Messung der Netzspannung. In diesem Fall fungiert die Induktivität als indirekter Fühler für die Netzspannung, da der Stromanstieg direkt proportional zur Eingangsspannung ist. Im Zusammenspiel mit dem zurücksetzbaren Integrationsblock ersetzt dies die in Muliplizierschaltungen benötigte feed-forward Kompensation in der Stromregelschleife. Die Änderungen der Netzspannung erfordern daher Kompromisse mit den zwei folgenden, wichtigen Auswirkungen: 1. Stabilität der Reglerschleife: die Beibehaltung einer konstanten Bandbreite über den gesamten sich ständig ändernden Eingangsspannungsbereich von 0 V bis 375 V erfordert aufwändige Reglerschaltungen. 2. Auswahl der Leistungshalbleiter und magnetischen Komponenten: Um die gleiche Ausgangsleistung zu liefern, müssen Schalter, Dioden und Induktivitäten für den Worst Case Fall der Applikation dimensioniert werden; d.h. für maximale Spannungen und maximale Ströme, welche unter keiner Betriebsbedingung vicorpower.com Applications Engineering: 800 927.9474 Page 1 gleichzeitig auftreten. Dies trifft zwar für jede isolierte Wandlertopologie, wie z.B. einen Fluss- oder Sperrwandler, ebenfalls zu. Ein zusätzliches Derating für die Komponenten wird jedoch durch Zustände der Schaltung erforderlich, bei denen sich verschiedene Spannungs- oder Stromquellen addieren und bestimmte Komponenten zusätzlich belasten. Adaptive Cell, Double Clamp ZVS Wandler Um die oben erwähnten Grenzen zu überwinden entwickelte Vicor eine neue, Double Clamp ZVS genannte Topologie und eine neue dynamische Wandler Architektur, die Adaptive Cell Technik. Wie arbeiten diese und wie lösen sie die wichtigsten Probleme eines Netzgerätes? Der Double Clamp, Zero-Voltage Switching Wandler (DC-ZVS) besitzt eine Vollbrücke am Eingang und eine Gleichrichterschaltung am Ausgang wie in Bild 3 gezeigt. Wie in einem PFC Hochsetzsteller agiert eine Induktivität als Energiespeicher auf der Primärseite, mit dem Unterschied, dass diese Induktivität auf dem gleichen Kern zwei Wicklungen mit unterschiedlicher Windungszahl besitzt. Diese spezifische Struktur arbeitet im Discontinuous Mode und hat wie in Bild 4 gezeigt drei verschiedene Betriebszustände. In der ersten Phase speichert die Induktivität Energie vom Netz, welche in der zweiten Phase über die Sekundärseite an die Last abgegeben wird. In der dritten Phase wird in der Induktivität etwas Energie gespeichert. Die Kapazität CCL speichert ebenfalls Energie und hält die auf die Primärseite übertragene Ausgangsspannung. Diese beiden Speicherelemente (daher der Name “double clamp”) in Verbindung mit einem richtig eingestellten Verlauf der Schaltzyklen erlauben bei jedem Zyklus ein Schalten bei Nullspannung und/oder Nullstrom (daher die Bezeichnung “Zero-Voltage-Switching”). Dies vermeidet Schaltverluste und erlaubt sehr hohe Taktfrequenzen. Noch wichtiger ist, dass diese Schaltung aus folgenden Gründen auch Schalter mit niedrigeren Spannungen erlaubt: 1.durch die resonanten Vorgänge entstehen keine transienten Überspannungen 2. die an den primären Schaltelementen auftretenden Sperrspannungen sind begrenzt und meist niedriger als die maximale Eingangsspannung Die Reduzierung der Spannungsbelastung der Leistungsschalter ermöglicht den Einsatz von Halbleitern mit besseren Eigenschaften was bedeutet: geringere Leitungsverluste, niedrigere für das periodische Umladen der Kapazitäten benötigte Treiberströme und höhere Leistungsdichte. Einige passive Komponenten profitieren ebenfalls von der geringeren Spannungsbelastung und der höheren Taktfrequenz. Alle diese Vorteile ermöglichen isolierte Wandler mit einer Leistungsdichte von über 700 W/inch³ (43 W/cm³). Während diese Eigenschaften die Entwicklung eines effizienten DC-DC Wandlers erlauben, bleibt immer noch der weite Bereich der Eingangsspannung, der auf einer höheren Ebene als dem Wandler selbst gelöst werden muss. Die Adaptive Cell Technologie ist eine Architektur, die zwei DC-ZVS Wandler kontrolliert, wobei trotz weitem Bereich der Netzspannung die Wandler mit höchstem Wirkungsgrad arbeiten. Das Blockdiagramm mit zwei Zellen in Bild 5 zeigt zwei identische Wandler, deren Ausgänge ständig parallelgeschaltet sind. Die Primärseiten können jedoch je nach Eingangsspannung über T1, T2 und T3 in Serie oder parallel geschaltet werden. Die beiden gekoppelten Induktivitäten sitzen auf einem gemeinsamen Kern und beide Primärseiten werden vom gleichen Kontroller gesteuert. Dies gewährleistet die entsprechende Symmetrie zwischen den Zellen und eine gleichmäßige Lastaufteilung unter allen Bedingungen. Bild 6 zeigt die Kurvenformen von Eingangsstrom und Ausgangsspannung für eine komplette Welle der gleichgerichteten Netzspannung. Im unteren Bereich von 86Vrms bis 145Vrms sind T1 und T3 geschlossen und T2 geöffnet. Die Primärseiten sind dadurch parallel geschaltet vicorpower.com Applications Engineering: 800 927.9474 Page 2 und teilen sich den Eingangsstrom, während die gleiche Eingangsspannung an beiden Zellen anliegt. Durch ein entsprechendes Taktverhältnis wird der Eingangsstrom gemäß den PFC Anforderungen reguliert. Zu bemerken ist jedoch, dass zusätzlich ein effektiver Modulationswinkel verwendet wird, mehr dazu jedoch später. Überschreitet die Eingangsspannung die mit einer Hysterese versehene Schaltschwelle von 145Vrms und bis hinauf zur maximalen Spannung von 264Vrms sind T1 und T3 geöffnet, T2 jedoch geschlossen. Die Primärseiten sind jetzt in Serie geschaltet und teilen die Netzspannung auf, der gleiche Strom fließt jedoch durch beide Zellen. Über das Taktverhältnis wird wieder die Power Factor Correction erreicht, durch die Adaptive Cell Topology sind die Verhältnisse im Primärteil der Zellen jedoch identisch für beide Netzspannungsbereiche. Im Bereich der Taktfrequenz, der Spannung und der Ströme bringt dies verschiedene Vorteile für die Reglerschaltung der Wandler. Die Zwei-Zellen Anordnung erlaubt einen identischen Betrieb über beide Hälften des Eingangsspanungsbereiches. Die Nachteile der zusätzlichen Schaltelemente T1 bis T3 werden problemlos durch die kleinere Baugröße der beiden Zellen ausgeglichen, da die Spannungs- und Strombelastungen im Vergleich zu einer Lösung mit einer Zelle um den Faktor 50% reduziert werden. Die Schalter können für den leitenden Zustand optimiert werden, da im realen Betrieb kein ständiges Umschalten erfolgen wird. Der zusätzliche Platzbedarf wird durch deutliche Vorteile in Leistungskreis und Steuerschaltung des Wandlers kompensiert. Eigenschaften und Vorteile der Vicor PFM Module Die DC-ZVS Topologie und die Adaptive Cell Architektur bieten einige wichtige Vorteile sowohl auf Produkt- als auch auf Systemebene. 1. Der Wirkungsgrad des Wandlers wird nur minimal von der Eingangsspannung beeinflusst: dieser am meisten bemerkbare Vorteil für den Leistungskreis wirkt sich auch auf das thermische Design aus, welches für jeden beliebigen Bereich der universellen Netzspannung optimiert werden kann. Die thermischen Anforderungen steigen nicht bei niedrigen Netzspannungen, was deutliche Kosteneinsparungen bedeutet. 2. Einsatz von Komponenten mit geringeren Belastungswerten und besseren Eigenschaften: Dies hat eine direkte Auswirkung auf einen verbesserten Wirkungsgrad und reduziert die Wärmeentwicklung, was wiederum Robustheit, höhere Zuverlässigkeit und maximale Systemverfügbarkeit bedeutet. 3. Zero-Voltage Switching mit hoher Taktfrequenz: Der klare Vorteil bei der Baugröße gilt auch für die Restwelligkeit am Ausgang. Das PFM® Modul arbeitet oberhalb von 1 MHz und ermöglicht dadurch kostengünstige und kleine Filter. Die Schaltvorgänge bei Nullspannung reduzieren die harmonischen Oberwellen des Störspektrums. Dies liegt hauptsächlich im Bereich der Taktfrequenz und die Filter können darauf abgestimmt werden. 4. Symmetrische Flusswinkel des Netzstromes: Wie in Bild 6 gezeigt ist der Eingangsstrom immer in Phase mit der Netzspannung und entsprechend geformt. Allerdings gibt es einen symmetrischen Modulationswinkel, um einen Betrieb des Wandlers bei nur kleiner verfügbarer Leistung zu verhindern. Das PFM Modul ist in der Lage, effektiv 97% der durch die maximalen Spannungs- und Stromwerte bestimmten verfügbaren Leistung zu liefern und dabei einen Betrieb nahe des Nulldurchgangs der Netzspannung zu vermeiden. In diesem Bereich wären die Verluste unnötig hoch und die übertragene Leistung würde nur geringfügig zur Gesamtleistung beitragen. 5. Optimale Kurvenform des Netzstromes: Durch eine patentierte Technologie wurde die Abhängigkeit des Eingangsstromes von einer unregelmäßigen Netzspannung reduziert. Der in das PFM fließende Strom ist daher weniger anfällig auf vicorpower.com Applications Engineering: 800 927.9474 Page 3 Verzerrungen der Netzspannung, was eine Reduzierung der harmonischen Oberwellen und damit eine allgemeine Verbesserung der Netzqualität für das System bewirkt, in dem das PFM eingesetzt wird. 6. Niederspannungsausgang: Die Anforderungen an eine Safety Extra Low Voltage (SELV) am Ausgang werden erfüllt und das PFM eignet sich daher für Applikationen, in denen wegen einem direkten oder indirekten Kontakt zum menschlichen Körper die Sicherheit ein Kriterium ist. Für diese Spannung sind auch große Speicherkondensatoren in Fülle verfügbar. 7. Isolierter Ausgang: Durch die magnetische Kopplung ist eine Isolierung gewährleistet und es kommen keine optischen Elemente zum Einsatz, was die langfristige Zuverlässigkeit verbessert. 8. EMI und EMC Konformität: Das PFM Modul erfüllt alle anwendbaren internationalen Normen. Das PFM Modul verbindet State-of-the-Art Technologien auf verschiedenen Bereichen: Topologie, Architektur, high-performance Analogschaltungen, digitalen Überwachungskreise und flaches SMD Gehäuse. Diese Technologien ermöglichen hohe Leistungsdichte und ein optimiertes Gleichrichtersystem über den gesamten, universellen Netzbereich. Eigenschaften und Vorteile des VI Brick® AC-DC Front Ends Das PFM® ist das Herzstücke des isolierten VI Brick AC Front Ends mit Power Factor Correction und integriertem Gleichrichter, Filter und Transientenschutz in einem nur 9,55mm hohen Gehäuse. Die Ausgangsleistung von 330W ist bis zu einer Baseplatetemperatur von 100ºC verfügbar und der Wirkungsgrad bei Volllast liegt höher als 90% bei einer Netzspannung von 100–120 Vrms und höher als 92% bei 220–230 Vrms. Der sichere Betriebsbereich des Gleichspannungsausgangs ändert sich nicht über den gesamten Netzbereich von 85–264 Vrms. Trotz der integrierten Komponenten für Filter und Überspannungsschutz erzielt das Modul eine erstaunliche Leistungsdichte von 121 W/in³ (7.4 W/cm³) und liefert am Ausgang eine Spannung von 48V mit einer Isolationsfestigkeit gegenüber dem Eingang von 3 kVac bzw. 4,2 kVdc. Der Gesamtwirkungsgrad und das thermisch optimierte Gehäuse minimieren den benötigten Kühlkörper. Das AC Front End Modul ist eine modernste Wandlerlösung, die sich in jedes System mit minimalen Aufwand für elektrisches und mechanisches Design integrieren lässt. Die Energiespeicherung ist praktischerweise am Ausgang angeordnet und unterliegt daher nicht den Überspannungen oder Störungen im Netz. Daher können kompakte Speicherkondensatoren mit einer Nennspannung von 63 V und hohen Zuverlässigkeitswerten eingesetzt werden. Zusammenfassung Das AC Front End Modul von Vicor mit dem PFM Modul als Leistungskreis ermöglicht eine PFC Schaltung mit konstant hohen Wirkungsgraden und Leistungsdichten über den universellen Netzspannungsbereich. Die gesamten harmonischen Verzerrungen übertreffen die Forderungen der EN61000-3-2 und die hohe Taktfrequenz sowie die resonanten Schaltvorgänge erleichtern die externe Filterung und die Erfüllung der EMV Normen. Modernste Kontrollschaltungen reduzieren auch die Weitergabe von Verzerrungen der Netzspannung, was eine Verbesserung der Netzqualität nicht nur im System sondern im gesamten Gebäude bedeutet. Das flache, leiterkartenmontierbare VI Brick Gehäuse beinhaltet auch ein kompaktes Filter für leitungsgebundene Störer. Diese erfüllt mit einigen wenigen externen Komponenten die Anforderungen von EN55022 Klasse B und den Schutz vor Überspannungen nach EN61000-4-5. vicorpower.com Applications Engineering: 800 927.9474 Page 4 Bild 1. Iin Klassische PFC Schaltung, basierend auf Mulitplizierer Vo Vin DRIVER Rs Voltage Loop Error Amp Vm A B C Multiplier + Vo=AB/C Zf + S - Q/ + R Vref Current Error Amp - Q - Comparator Zf CLOCK Fixed Ramp Generator Bild 2. Iin PFC Schaltung mit einem Zyklus (Integrator mit Reset) Vin Vo DRIVER Rs Comparator Q R Q/ S - - + + Voltage Loop Error Amp Vm + CLOCK Zf Vref Integrator with Reset Bild 3. Double Clamp, Zero-Voltage Switching Wandler schematische Darstellung Q1 VP Q3 Q5 P Q2 vicorpower.com IP CCL S IS VOUT L O A D Q4 Applications Engineering: 800 927.9474 Page 5 Bild 4. T1 Double Clamp, Zero-Voltage Switching Wandler Kurvenverläufe dieser Topologie VP T2 T3 ZVS ZCS IP ZCS VOUT IS time Bild 5. Dynamische Verhalten der Adaptive Cell™ Architektur ILINE CELL 1 T1 primary CELL 1 secondary VOUT T2 L O A D CELL 2 T3 secondary CELL 2 primary Bild 6. Kurvenformen der PFM Topologie VLINE (RMS) 265 V 230 V Cells re-configuration threshold 145 V 120 V 85 V ILINE VOUT The Power Behind Performance Rev 1.0 11/12 vicorpower.com Applications Engineering: 800 927.9474 Page 6
