Slide 1: PFCとLLCトポロジーを理解する
logo-signature PFCとLLCトポロジーを理解する 岩本純一 シニアFAEマネージャー MPSジャパン 2024年7月 rev 20180504
Slide 2: トピック
トピック ▪ 力率補正を理解する ▪ MPSのPFCソリューション ▪ 共振パワーコンバージョンを理解する ▪ MPSのLLCソリューション ▪ Q&A
Slide 3: PFCとは
PFCとは • PFCは Power Factor Correction を意味します • 力率 (Power Factor: PF) は、皮相電力における有効 (実際の) 電力の割合を示します: active power [W] PF = = apparent power [V ⋅ A] • よくある例え: 無効電力 皮相電力 有効電力
Slide 4: PFCとは
PFCとは • 1の力率は抵抗に相当: VIN IIN IIN VIN o 電流は正弦波で、入力電圧と同位相である • 一般的な電源は1未満の力率がある: VIN IIN VIN IIN o 電流は正弦波ではなく、おそらく入力電圧とは違う位相 o より大きなRMS値の電流が入力で循環 (より大きな無効電力)
Slide 5: なぜ力率が必要なのか
なぜ力率が必要なのか 力率が低い場合、実際の負荷で使用されるよりもより大きな電力が入力側巻線で循環する ➔ 電線の過熱リスク • 家庭で: 3 x 300W 機器 (PF = 0.5 ≥ 8 A) とすると PF = 1 ≥ 4Aと同じ 220 Vac Happy birds! • 配電線で: ➔公益事業会社による高力率の奨励 • より少ない発電所で済む • 発電された電力のすべてを請求できる $
Slide 6: PFCの基本コンセプト
PFCの基本コンセプト PFCを追加 入力電流は電圧に追随
Slide 7: PFC動作モード
PFC動作モード • 電流臨界モード (BCM) または臨界導通モード (CrM) PFC 300W未満の電力に最適 シンプルなアーキテクチャ ゼロ電圧スイッチング より大きなRMS値電流 • 電流連続モード (CCM) PFC IL Ipk 200W以上の電力に最適 Iref より少ないRMS値電流 off_cur_ref t ハードスイッチング n-1 n n+1 SET t より複雑なレギュレーションループ PWM t ton Ts
Slide 8: PFC動作モード
PFC動作モード • マルチモードPFC HR12xx 高負荷時のCCMまたは → 効率最適化のために、軽負荷時はさまざまなDCMモード (電流不連続モード) CCM CF DCM VF DCM 一定の周波数 可変の周波数 IL Ipk IL IL Iref ton’ off_cur_ref Iref off_cur_ref Iref off_cur_ref n-1 n n+1 t SET SET SET Ts’ t PWM td’ PWM PWM ton td ton td t ton Ts Ts Ts Ts_new Ts_max セット信号はCCMのバレーポイントとDCMポイントを決定する
Slide 9: PFCトポロジー
PFCトポロジー パッシブ: ラインフィルタ: 大きな入力インダクタにより、 電流は正弦波になる バレーフィルタ: 2個のフィルタリングコンデンサ は直列に充電されるが、 並列に放電される アクティブ: フライバック (低電力、シングルステージ: PFC + 絶縁型レギュレーション) 降圧 (あまり一般的ではない) 昇圧 (POUT > 100Wで一般的) 高効率 乗算器および小さな入力フィルタリング コンデンサ付きBCMフライバック
Slide 10: PFCトポロジー
PFCトポロジー 大変多くのアクティブPFC構造があり、そのほとんどは昇圧トポロジーに基づいています。 主な目的は出力電圧に対して (そして価格に対しても) 可能な限り最高の効率を達成することです。 例: インターリーブ降圧、ブリッジレス降圧、トーテムポール、etc. フルブリッジ整流器 + 昇圧 トーテムポール・ブリッジレスPFC 高速スイッチング 低速スイッチング fSW = 100kHz fSW = fGRID
Slide 11: トピック
トピック ▪ 力率補正を理解する ▪ MPSのPFCソリューション ▪ 共振パワーコンバージョンを理解する ▪ MPSのLLCソリューション ▪ Q&A
Slide 12: MPSのPFCロードマップ
MPSのPFCロードマップ トーテムポールPFC HR1280 MPF450xx PFC + LLC フルデジタルPFC + LLC コンボ CRM TP PFC HR1210/1/3/5 CCM PFC フルデジタルPFC + LLC CCM PFC HR1275 MPxxxxx フルデジタルPFC + LLC BCM TP PFC BCM PFC MP44018A MP44017 スタンドアロン BCM PFC BCM PFC、バースト 低スタンバイ電力 ライティングに最適 MP44010 MP44014/A PFC BCM PFC BCM PFC アナログ アナログ MP44060 MP
Slide 13: MP44018 主な機能
MP44018 主な機能 • スイッチング損失を最小限にするためのバレー電流起動 1 FB VCC 8 2 COMP GATE 7 • 入力フィードフォワード (メイン補償) 3 MAINSIN GND 6 • 軽負荷条件下でのスイッチング損失を低減するために周波数を減少 4 CS ZCD 5 • THDを改善 • 強化されたダイナミック応答 SOIC-8パッケージ (5mm x 6.2mm x 1.7mm) • 可聴ノイズを低く抑えるソフトスタート / シャットダウンバースト L1 D1 • 低電圧保護 (UVP) VBUS • 過電圧保護 (OVP) RO1 • 過電流制限 (OCL) B
Slide 14: MP44018 強化されたダイナミック応答
MP44018 強化されたダイナミック応答 強化されたダイナミック応答 VBUS ICOMP 負荷無し フル負荷 ISOURCE1(COMP) 他社製品 GgM2m2 gM1 G m1 IL ISOURCE2(COMP) VFB_GM3 ISINK1(COMP) VFB_GM2 VREF FB Gg M3m3 VBUS ISINK2(COMP) フル負荷 負荷無し ノンリニア gm 他社製品 ➢ 定常状態におけるより良い力率とTHDのための低gm (gm1) ➢ より高速な過渡応答のための高gm (gm2 および gm3) IL
Slide 15: MP44018 THD改善
MP44018 THD改善 BCM (COT: コンスタントオンタイム) DCM (VOT: 可変オンタイム) IL IL 動作モード tON t tON tDMG tDT t VAC ( ) VAC ( ) IIN2 ( ) = t ON ( ) DC ( ) = VAC ( ) VAC ( ) 2L REQ2 入力電流 IIN1( ) = t ON ( ) = 2L REQ1 t ON ( ) + tDMG ( ) DC ( ) = t ON ( ) + tDMG ( ) + tDT 入力等価 2L 2L REQ1 = REQ2 = インピー
Slide 16: MP44018 効率
MP44018 効率 効率比較 Efficiency MP44014@120VAC MP44014@230VAC MP44018 MP44060@120VAC MP44018 MP44060@230VAC 100.00% 98.00% 96.00% 94.00% Efficiency 92.00% 90.00% 88.00% 86.00% 84.00% 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% Load ➢ 軽負荷時、MP44018の効率は前世代の製品よりもはるかに高い
Slide 17: HR1275 主な機能
HR1275 主な機能 システム全体の機能: • トータル85mW以下、無負荷電力損失 (PFC + LLC含む) • 起動のためのHV電流源 • IEC 62368およびIEC 60950認証済み、ACドロップアウト時スマートX-コンデンサ放電 • パワーグッド (PG) 機能 FBP 1 16 CR • 外部過熱保護 (OTP) CSP 2 15 FBL CSHB • パラメータ調整のためのUARTインタフェース GND 3 14 SOIC-16 GATEP 4 13 VCC • ユーザーフレンドリーなGUI VREG 5 12 NC LSG 6 11 SW PFCコントローラ: NC 7
Slide 18: HR1275 PFCアーキテクチャ
HR1275 PFCアーキテクチャ 入力ピン: D3 LPFC D4 RNTC ピン 詳細 VBUS RO1 + LCM1 Cbus ACIN 外部分割抵抗を介したAC入力検知 CX1 CX2 C1 Q1 RO2 B1 D1 D2 ZCD RCS PFCバレーおよび消磁時間検知入 RGATE 力。 高電圧コンデンサを介して RCSP ZCD CSP GATEP PFCスイッチドレインに接続 RIN1 CZCD RIN2 OCL 外部分割抵抗を介したVBUS 電圧検 ZCD OVP FBP FBP 知 DAC VOCL RZCD DZCD DAC VOVP ZCD CSP カレントリミット保護
Slide 19: HR1275 240W性能
HR1275 240W性能 試験条件: VIN = 85VAC, IOUT = 20A 試験条件: VIN = 265VAC, IOUT = 20A BCM 高負荷 CH1: GATEP CH3: VBUS CH4: IPFC 試験条件: VIN = 265VAC, IOUT = 10A 試験条件: VIN = 85VAC, IOUT = 10A DCM 軽負荷
Slide 20: HR121x 主な機能
HR121x 主な機能 システム: • 無負荷時Pin < 100mW、12V出力 • 起動時高電圧電流源 および スマートX-コンデンサ放電 • パワーグッド (PG) 機能 • UARTインタフェースとパラメータ調整用GUI PFC: • デジタルPFCのCCM / DCM動作 (最大250kHzのスイッチング) • コンデンサ電流補償 (20%負荷時0.95未満) による高力率 • EMIを改善する調整可能な周波数ジッタ • 調整可能なソフトスタート • 低可聴ノイズのための調整可能なソフトバースト起動 • 調整可能なACブラウンイン / ブラウンアウト、過負荷保護 (OLP)、 過電圧
Slide 21: HR121x PFC制御
HR121x PFC制御 特許取得PFC平均電流制御: - 重負荷用CCM - 軽負荷用DCM (効率改善) - デジタルPI補償器 - PI補償器はGUIを介して調整可能 • 基板に直接接続 • リアルタイム
Slide 22: トピック
トピック ▪ 力率補正を理解する ▪ MPSのPFCソリューション ▪ 共振パワーコンバージョンを理解する ▪ MPSのLLCソリューション ▪ Q&A
Slide 23: なぜ共振コンバータなのか
なぜ共振コンバータなのか • 出力電力が増加すると、標準的でシンプルな構成ではあまりに非効率になる o パワースイッチのハードスイッチング 寄生コンデンサが充電されている間ス o ダイオードの逆回復時間 イッチがオンになると、損失が大きく なる (スイッチング周波数とともにスケー ルアップ) → ゼロ電圧スイッチング (ZVS) id o トランスにエネルギーを蓄積 ブロッキングは ここでのみ開始 ダイオードは逆流時、瞬時には ID(t) 電圧をブロックし始めない trr t ダイオー ダイオー 0 I RRM → ゼロ電流スイッチング (ZCS) ド ド Qrr オン オフ
Slide 24: LLC共振コンバータとは何か
LLC共振コンバータとは何か • LLCは直列共振コンバータ: - トランスの磁化インダクタンス (LM) は共振素子のひとつ - トランスの漏れインダクタンス (LS) は共振に関与 - 直列コンデンサ (CS) は共振を確実にするために追加されている - トランスの巻数比は電圧を下げる LS LM CS スイッチング周波数は、出力に送信される電力を制御する
Slide 25: LLC共振コンバータとは
LLC共振コンバータとは LLCコンバータは通常負荷条件下でのソフトスイッチングを保証: • パワースイッチ (一次側) 用のゼロ電圧スイッチング (ZVS) • 整流ダイオード (二次側) 用のゼロ電流スイッチング コンパクトなコンバータを形成するため高スイッチング周波数で動作可能 D1 S1 LR S2 LM CS 限られた部品点数 + 磁界は小さく (特に高スイッチング周波数において) → 高い電力密度
Slide 26: 電流モード LLC
電流モード LLC • 出力を調整するためにLLCの周波数を制御することは、複雑なループ補償につながる • サイクルごとの一次側のピーク電流を制御することで、シンプルにすることが可能 → 電流モードによる制御 • 共振コンデンサ周辺の電圧を監視することで、コントローラは電流の情報にアクセス可能 Q2 MP692X 1 iCr ( t ) dt Cbst Q4 VCr = BST HSG Lr T2 Cr SW LSG Q3 C11 Vout Cr C8 Q5 HR1211 CR FBL Feedback network
Slide 27: 周波数制御機能付き電流モードLLC
周波数制御機能付き電流モードLLC 基本波近似法 (FHA)に基づき、DCゲインはスイッチング周波数を調整することによって制御可能 ある周波数以下では制御則が反転 → 領域の変更を回避 (容量性 vs. インダクティブ領域) LLCコンバータはDCゲイン範囲が限られているため、大きな入出力電圧変動に対応しにくい: • PFCフロントエンドステージによく適合 (LLCステージに対して安定した一定の入力電圧) • すべてのアプリケーションに適合するわけではない (一定の電圧出力により適している)
Slide 28: トピック
トピック ▪ 力率補正を理解する ▪ MPSのPFCソリューション ▪ 共振パワーコンバージョンを理解する ▪ MPSのLLCソリューション ▪ Q&A
Slide 29: MPS LLCコントローラのロードマップ
MPS LLCコントローラのロードマップ HR1280 PFC + LLC フルデジタルPFC + LLC コンボ HR1210/1/3/5 電流モードLLC フルデジタルPFC + LLC 電流モードLLC HR1275 フルデジタルPFC + LLC 電流モードLLC HR1001A HR1001C HR1002/A HRxxxx ダイレクト周波数制御 ダイレクト周波数制御 ダイレクト周波数制御 デジタル スタンドアロン OCP自動再起動 耐サージ性能アップ 高スイッチング周波数 電流モード LLC LLC HR1001L HR1001B ダイレクト周波数制御 ダイレクト周波数制御 OCP
Slide 30: HR1001C 主な機能
HR1001C 主な機能 • アダプティブデッドタイムの調整 (ADTA) • サージ性能強化のための遅延時間調整可能な過電流保護 (OCP) • 容量性モード保護 (CMP) • 共振ハーフブリッジコンバータ用の50%デューティーサイクル、 可変周波数制御 • ブートストラップダイオードを内蔵した600Vハイサイドゲート ドライバ
Slide 31: HR1001C アダプティブデッドタイム
HR1001C アダプティブデッドタイム Q1 Q2 ADTAブロック図 ir im • 抵抗率 • 放熱問題 VSW • コスト高 通常のソフトスイッチング 軽負荷で Q1 Q2 fSW 上昇 ir im アダプティブデッドタイムの調整で、軽負荷時でも LM 許容度 ZVSを保証 VSW → いかなるMOSFETでも高効率と低コストを 達成可能 ハードスイッチング!
Slide 32: HR1275 LLC 主な機能
HR1275 LLC 主な機能 システム全体の機能 FBP 1 20 SO • 全体で85mW未満の無負荷時電力損失 ACIN 2 19 CR CSP FBL • 起動時のHV電流源 3 18 PGND 4 17 UART/PG • ACドロップアウト時のスマートX-コンデンサ放電、 GATEP 5 HR1280 16 CSHB IEC 62368およびIEC 60950認証済み VREG 6 15 PG NC • パワーグッド (PG) 機能 LSG 7 14 VCC 8 13 SW • 外部過熱保護 (OTP) NC 9 12 HSG • パラメータ調整用のUARTインタフェース HV 1
Slide 33: HR1275 LLC 軽負荷バーストモード
HR1275 LLC 軽負荷バーストモード • 調整可能な固定VCOMP fBURST VB_ON • 調整可能なtH1 および tL1 FB Burst-on Burst-off tB-on tB-off • 調整可能なスキップ周波数 HG • FBL電圧を基にしたPWM オン / オフ: バースト-オン / オフ レベル LG tHG-ini • バースト周波数制御 • 省電力のためのFBLプルアップ抵抗制御 PFC PWM バーストモードでの動作電流: LLC PWM 製品型番 HR1275 HR1280 HR1211 VFBL VFBL_LL_exit VBURST_IN ICの消費電
Slide 34: HR12xx 起動方法
HR12xx 起動方法 - 起動中共振コンデンサ電圧に不均 衡が発生するが、これはハードス イッチングを誘発する - ハードスイッチングを回避するた め、共振タンクの電流がゼロ以下 に落ちるまでLSGドライバはオフ にならない (VCSHB < VCSNR) 起動: - ローサイドゲート (LSG) が最初にオンしてBSTコンデンサを充電 - それから、ハイサイドゲート (HSG) とLSGが選択的にオン - ソフトスタートは、高スイッチング周波数で始まった後フィード バック (FB) ループが引き継ぐまで減少することで達成される 注記: - 最初のLSGパルス期間はGUIで調整可能
Slide 35: HR1275 LLC波形
HR1275 LLC波形 試験条件: VIN = 220VAC, IOUT = 20A 試験条件: VIN = 220VAC, IOUT = 10A 高負荷 CH1: SW CH2: VCR CH3: FBL 試験条件: VIN = 220VAC, IOUT = 2A 試験条件: VIN = 220VAC, IOUT = 1A CH4: IR バースト 軽負荷
Slide 36: MPS LLC設計ツール
MPS LLC設計ツール チュートリアル 仕様を入力 https://www.monolithicpower.com/jp/design-tools/design-tools/llc-design-tool.html
Slide 37: MPS LLC同期整流コントローラのロードマップ
MPS LLC同期整流コントローラのロードマップ LLC用デュアル同期整流コントローラ LLC 同期整流ドライバ MP6925/A MP6926 高効率デュアル同期整流 高周波数LLC 同期整流 高電力密度の PDマーケット向け MP6922A MP6923 30mV VDS 15mV VDS デュアル同期整流 デュアル同期整流 MP6922 70mV VDS デュアル同期整流 量産中 サンプル出荷中
Slide 38: MP6928A 主な機能
MP6928A 主な機能 MP6926, MP6929へ • 12Vの標準および5Vのロジックレベル FETとともに動作 • 高速ターンオフ • 4.3V～35Vの広範な VDD 動作範囲 • 200Vのドレイン・ソース間電圧に耐性 • 50μA未満の自己消費電流 (IQ) • ハイサイドおよびローサイドの整流に 対応
Slide 39: MP6928A アダプティブ順方向電圧
MP6928A アダプティブ順方向電圧 • 高速なターンオフ速度 (約35ns) • CCM、DCMおよびBCMモードに対応 • 軽負荷時にゲートドライバをラッチオ フするための軽負荷機能。電流を 85μAに制限 • 2つのNチャネルMOSFETを駆動、ア ダプティブ順方向電圧降下レギュレー ション
Slide 40: HR1211 リファレンスデザインの例
HR1211 リファレンスデザインの例 600W バッテリーチャージャ USB PD 3.1 240W パラメータ 仕様 入力電圧範囲 85VAC ～265VAC パラメータ 仕様 出力電圧範囲 35VDC ～ 58.8VDC (±1.5%) 入力電圧範囲 100VAC ～ 265VAC 出力電流 10A (±1.5%) 出力電圧範囲 3.3VDC ～ 48VDC 効率 92%以上 出力電流 最大5A 力率 98%以上 効率 94%以上 伝導エミッション クラスB EN55032規格に対応 力率 98%以上 伝導エミッション クラスB EN55032規格に対応