Slide 1: PFCテクノロジーを掘り下げる
PFCテクノロジーを掘り下げる 2025年2月 岩本純一 シニアFAEマネージャー MPSジャパン
Slide 2: トピック
トピック • 概要: 力率改善 (Power Factor Correction) • 昇圧型PFC制御 • 昇圧型PFCの改善 (効率、PF、歪み) • ブリッジレスPFC •Q&A
Slide 3: 力率改善 (PFC)
力率改善 (PFC) • PFCとはpower factor correctionの意味 • 力率 (PF) とは、皮相電力上のアクティブ (実際の) 電力率: Active Power [W] PF = = Apparent Power [V𝑥A] • 1の力率は純抵抗負荷に相当 VIN IIN IIN VIN o 電流は正弦波で、VINと同位相 • 代表的な電源は1未満の力率があります VIN IIN IIN VIN o 電流は正弦波ではなく、VINと位相がずれている可能性があります。 o より大きなRMS電流が入力を循環します (より高い無効電力)。
Slide 4: PFCの基本概念
PFCの基本概念 PFC段 PFCを追加 入力電流は電圧に従う (正弦波)。 PFCには、パッシブ型 (インダクタ、バレーフィルなど) とアクティブ型 (降圧、昇圧、フライバックなど) が あります。性能、効率、サイズ、コストのトレードオフを考慮すると、昇圧型PFCが最も広く使われているト ポロジーです。
Slide 5: トピック
トピック • 概要: 力率改善 (Power Factor Correction) • 昇圧型PFC制御 • 昇圧型PFCの改善 (効率、PF、歪み) • ブリッジレスPFC •Q&A
Slide 6: 昇圧型PFC
昇圧型PFC • シンプルな実装 (インダクタ1個、スイッチ1個、ダイオード1個) • 高効率 • 低入力電圧で動作可能 • ステップアップ
Slide 7: 昇圧型PFC制御方法
昇圧型PFC制御方法 • 市場、コンバータのタイプ、地域によって、標準的な最小力率要件は異なる場合があり、不要とされる場合 や高い値が設定される場合もあります。また、異なる出力電力レベルでの歪み量や最小力率などの追加要件 がある場合もあります。 さまざまなタイプのPFC回路とそのさまざまな制御方法は、さまざまなシナリオに対応しています。さらに、 新しい規格が導入されたり、時間の経過とともに進化したりすることもあり、特定の方法が時代遅れになる こともあります。 • 例えば、アクティブ昇圧型PFCの最も単純な制御方法の1つは、定電流で動作させることです。 VIN IIN この方法は整流ブリッジの導
Slide 8: 昇圧型PFC制御方法: CoT BCM
昇圧型PFC制御方法: CoT BCM コンスタントオンタイム (COT) / 電流臨界モード (BCM) / 臨界導通モード (CrM) CrM (Constant-On-Time) IL 動作モード tON t • シンプルな構造 (VIN計測必要なし) VAC ( ) VAC ( ) • ゼロ電流スイッチング 入力電流 IIN1( ) = t ON ( ) = 2L REQ1 (およびバレースイッチング) ➢ 低コスト、低ノイズ 入力等価 2L REQ1 = インピーダンス t ON ( ) • 高いRMS電流 (IPK はIIN 平均値を倍にする) PF = 1の条件
Slide 9: 昇圧型PFC制御方法: CCM
昇圧型PFC制御方法: CCM IL IPK 連続伝導モード (CCM) IREF OFF_CUR_REF n-1 n n+1 t SET t PWM t tON tS • より低いRMS電流 (IIN 平均値はIPKにとても近い) (HR12xx デジタルPFC) ➢ 最大1kWの高電力に使用可能 (それ以上はインタリーブを併用) • より複雑な構造 (VINは電流の参照値を設定するために使用されます) • ハードスイッチング ➢ より高いコスト、より大きいONノイズ
Slide 10: トピック
トピック • 概要: 力率改善 (Power Factor Correction) • 昇圧型PFC制御 • 昇圧型PFCの改善 (効率、PF、歪み) • ブリッジレスPFC •Q&A
Slide 11: 効率改善 – BCM + DCM
効率改善 – BCM + DCM 出力電力が減退しても不連続モード (DCM) を実行し続ける 不連続モードでは、POUT の減退時にスイッ DCM (可変オンタイム) チング周波数 (fSW) が上昇します。これは大 IL きなスイッチング損失につながります。 動作モード デッドタイムを挿入して強制的にDCMにす tON tDMG tDT t ることで、fSW が減少し、軽負荷効率が高く なります。 VAC ( ) VAC ( ) IIN2 ( ) = t ON ( ) DC ( ) = 2L REQ2 入力電流 230VAC (Peak) t ON ( ) + tDM
Slide 12: 効率改善 – CCM + BCM + DCM
効率改善 – CCM + BCM + DCM マルチモード制御 : 3つのモード (CCM、BCM、 DCM) はすべて、瞬時入力電圧レベルに応じて、異 なる出力負荷条件下でPFCコントローラによって使 用されます。 ∆ICCM • すべての高負荷におけるCCMまたはBCM • 効率を最適化するために、軽負荷時に異なるDCM モードを使用する DCM……CrM…...CCM......CrM......DCM CCM CF-DCM VF-DCM 一定周波数 可変周波数 IL IPK IL IREF OFF_CUR_REF IL IREF OFF_CUR_REF OFF_CUR_REF tON
Slide 13: 可変オンタイムでTHD性能を向上する
可変オンタイムでTHD性能を向上する 負荷時には、入力交流のゼロクロッシング付近で入 力フィルタコンデンサが完全に放電しません。 コンスタントオンタイム (COT) コントローラは、 ゼロクロッシング付近で最大周波数の限界に達する こともあります。これが高歪み (高THD) の原因で す。 Iin • 可変オンタイム制御は、従来のコンスタントオ ンタイム制御に比べ、全高調波電流歪み (THD) コンスタント 0 を低減。 オンタイム tline Ton_comp TT on_comp on_comp Iin 可変 オンタイム 0 0 001 tline 11t tline 2 tlinelin
Slide 14: 入力コンデンサ電流補償による力率向上
入力コンデンサ電流補償による力率向上 昇圧型PFCは入力電流を正弦波に成形します が、PFCの前に置かれた入力フィルタは、位 iL 相シフトを導入することによって力率を劣化 L させる可能性があります。 iIN RBG + REMI iCz iCz iCz M1 Vbus • 入力コンデンサ電流を補償することで、 VIN 力率を改善することができます。 Cbus RCS - 補償の例: PFC制御則に三角波を加える。 iL iIN iL iin REMI VIN Vbus iCZ iCz Switching Controller icomp Tline
Slide 15: トピック
トピック • 概要: 力率改善 (Power Factor Correction) • 昇圧型PFC制御 • 昇圧型PFCの改善 (効率、PF、歪み) • ブリッジレスPFC •Q&A
Slide 16: 整流ブリッジ損失
整流ブリッジ損失 ブリッジ整流器は、昇圧型PFCと直列に2つのダイオードを常時追加 => 導通損失 I I 𝑃𝐷 𝐶𝑂𝑁𝐷 = 𝑉𝐹 𝑥 𝐼𝑅𝑀𝑆 GaNスイッチの使用と制御の最適化により、昇圧型PFCの効率だけが大幅に向上し、整流ブリッジ は最大で数％の損失となり、効率損失の主な要因となりました。 8 7 90 Vac 6 115 Vac ブリッジから発生する熱が、電 電力損失 (W) 5 力密度を制限する主な要因とな 4 ります。 3 2 1 0 100 150 200 250 300 350 400 出力電力 (W)
Slide 17: ブリッジレスPFC – 概要
ブリッジレスPFC – 概要 従来の昇圧型PFCでは、逆導通を阻止するダイオードがすでにあります。このダイオードを利用して、 ダイオード・ブリッジ整流器を取り除いたらどうなるでしょうか。 各交流ラインに1つの昇圧PFCを使用する場合、正弦波入力電圧の各交互に1つずつ、交互に動作しま す。 I I 各入力ラインに1つのPFCブーストがあれば、1つの直列ダイオードを直接経路から効果的に取り除く ことができ、整流損失が減少して効率が向上します。
Slide 18: トーテムポールPFC
トーテムポールPFC ブリッジレス・デュアルブーストPFCの進化形がトーテムポールPFCです。 I 高速スイッチング 低速スイッチング fSW = 100kHz fSW = fGRID • インダクタ1個に削減 • ダイオードをMOSFETに置き換え • 極性選択スイッチ (低速スイッチングレッグ) を備えた同期昇圧 (高速スイッチングレッグ) として動作するように再配列
Slide 19: トーテムポールPFC – 動作
トーテムポールPFC – 動作 A+C • インダクタに接続された高速スイッチ A G1 G4 B • 同期昇圧として機能 Load B+D • 低速スイッチ D • 入力極性を選択 D C G2 G3 A G1 G4 B Load C+A C G2 G3 D A+C
Slide 20: トーテムポールPFC – 動作
トーテムポールPFC – 動作 A+C • インダクタに接続された高速スイッチ A G1 G4 B • 同期昇圧として機能 Load B+D • 低速スイッチ • 入力極性を選択 C G2 G3 D B A G1 G4 B Load C G2 G3 D C+A A+C
Slide 21: トーテムポールPFC 結果
トーテムポールPFC 結果 トポロジー トーテムポールPFC ノーマルPFC フリーホイールダイオード - 高速リカバリ 1個 高速MOSFET / SiC MOSFET / GaN GaN FET 2個 * 2 GaN FET 1個 整流ブリッジ - 1個 低速MOSFET / ダイオード Si MOSFET 2個 - 効率@90V / 300W 97.6% 95.8% 100.0% 90Vac 115Vac 230Vac 265Vac 99.5% 300Wで計測 99.0% 効率 (%) 2個のGaN FETと 98.5% 2個のSi MOSFETを使用した 98.0% CrMトーテムポー
Slide 22: トピック
トピック • 概要: 力率改善 (Power Factor Correction) • 昇圧型PFC制御 • 昇圧型PFCの改善 (効率、PF、歪み) • ブリッジレスPFC •Q&A