Практикум построения высокоэффективных ККМ на компонентах INFINEON (материалы вебинара)

13 сентября 2017

Мероприятие прошло 04.10.2017

Докладчик: Подколзин Антон — инженер по применению в области управления питанием в компании Компэл

Видео

Вопросы и ответы

Можно ли добиться КПД у ККМ 98%? Какую топологию ККМ использовать?

Действительно, существуют решения, которые позволяют добиться КПД до 98% при номинальной нагрузке.
Дело всё в том, что значительная часть потерь рассеивается именно на входном диодном мосте.
Поэтому актуальна задача снижения мощности потерь именно на диодах. Для достижения этой цели их необходимо заменить управляемыми приборами.
Инженеры Texas Instruments предлагают проект ККМ на 1кВт, построенный по топологии Totem Pole.

Топология Totem Pole выполнена по схеме полный мост. Причем, в одной стойке топологии применяются 2 обычных MOSFET, в другой стойке применяются 2 GaN транзистора со встроенным драйвером.
У GaN транзисторов есть ряд преимуществ по динамическому поведению перед традиционными MOSFEТ.Таким образом, суммируя два фактора – отказ от диодного моста с его большими потерями и использование очень быстрых GaN транзисторов можно уменьшить потери ККМ и достичь КПД 98% при номинальной нагрузке.

Если рассматривать традиционный ККМ на повышающем преобразователе, то не исключено, что можно достичь КПД даже немного выше, чем 98%. Это можно сделать следующим способом: во-первых, следует уменьшить частоту коммутации в схеме до 90-100 кГц. Это поможет уменьшить потери переключения в транзисторах и диоде. Во-вторых, необходимо выбрать MOSFET-ы из последних поколений с низким Qgate (например, C7, P7 у Infineon) и с достаточно малым Rds(on) для уменьшения потерь проводимости. Также, обязательным условием является наличие в схеме именно SiC диода Шоттки. При этом, для уменьшения потерь проводимости можно выбрать диод с большим запасом по току, например, в 1,5-2 раза.
Но, с другой стороны, все эти изменения приведут к росту стоимости преобразователя. Возникает вопрос, насколько это оправдано? Ведь, при разработке устройства необходимо соблюсти баланс между техническими характеристиками и стоимостью.

Почему в режиме CCM (Continuous Conduction Mode) для управления ККМ потери в дросселе низкие? Ведь потери на перемагничивание низкие, но потери проводимости будут высокие, так как номинал индуктивности выше и размеры дросселя значительно больше?

Вы правильно заметили, что потери дросселя складываются из двух основных составляющих (на самом деле, их больше двух, но мы пренебрегаем ими из-за их малой величины) – потери проводимости и потери на гистерезис. А также, что для ККМ в режиме CCM требуется дроссель с большей индуктивностью (примерно в 3-4 раза, как я упомянул во время трансляции), чем для режима DCM/CrM, что выливается в увеличение количества витков на сердечнике и, следовательно, увеличением сопротивления обмотки. Но дело тут в том, что активные потери дросселя высчитываются как Pакт. = I²×R, где I – ток в обмотке, а R – сопротивление медного проводника. В режимах управления DCM/CrM значения импульсных токов через дроссель существенно выше, чем в режиме CCM. Мы видим, что активные потери квадратично растут в зависимости от тока и линейно зависят от сопротивления. Именно эти обстоятельства позволяют утверждать, что в режиме CCM потери на дросселе низкие.

http://www.changsung.com/_eng/product/goods.php?goods_no=12&ckattempt=1

Это КПД с учетом входного выпрямителя?

Да, КПД 97,8 % в схеме ККМ 800Вт достигается с учётом потерь на диодном мосте.

Начиная с какой мощности целесообразно применять корректор ?

Есть производители, которые выпускaют LED драйверы и используют активную коррекцию коэффициента мощности даже для драйверов 35-40 Вт. Это требование ГОСТа.

В тестовой схеме есть ли какие-нибудь снабберы на диоды SiC? Собственно как и на силовой транзистор? (Имеется ввиду комбинация 1)

Оба силовых MOSFETа и SiC диод во всех тестируемых комбинациях не имели снабберных цепочек.

Что насчет топологии Totem Pole? Насколько сложна в реализации и какие перспективы использования в новых проектах с GaN и SiC?

Про топологию Totem Pole был ответ выше. Если говорить о SiC диодах Шоттки, то они уже используются повсеместно. Если говорить про MOSFET-ы, то SiC MOSFET-ы производятся с высоким максимально допустимым напряжением от 900 В до 1700В. В однофазных схемах ККМ их применять, скорее всего, дорого и нецелесообразно. А вот MOSFET-ы технологии GaN – это пожалуйста. Но у технологии GaN есть ряд недостатков и ограничений для широкого использования. В частности, максимальные напряжения GaN транзисторов составляет 600 Вольт. Также, необходимо отметить проблему инверсного управления транзисторами GaN, которая усложняет реализацию схемы из-за необходимости двуполярного питания. Однако инженеры Texas Instruments уже решили эту проблему в своих приборах – они просто поместили драйвер и транзистор в один корпус. Такой микросхеме требуется только однополярное питание 12В.
Несомненно, с развитием технологии транзисторы SiC MOSFET имеют большие перспективы в будущем.Касательно алгоритмов управления топологии Totem Pole можно сказать, что для нее требуется микроконтроллер или дорогой цифро-аналоговый преобразователь (контроллер). Это сильно удлиняет время разработки устройства. Традиционные решения Boost PFC можно реализовать на аналоговом специализированном ШИМ-контроллере вплоть до мощности 2.5 – 3.0 кВт.
Пример: Boost PFC 2,5 кВт от Infineon

Подпишитесь на нашу группу в Фейсбук уже сейчас. Это позволит оперативно узнавать о всех наших новых акциях, вебинарах, статьях и других обновлениях на нашем сайте.

Документы

•   slup327 (2.35 Мб)
  GaN FET-Based CCM Totem-Pole Bridgeless PFC
•   EVAL 2.5KW CCM 4PIN (1.43 Мб)
  2.5 kW PFC evaluation board with CCM PFC Controller ICE3PCS01G
•   Расширенная презентация (8.12 Мб)
  Практикум построения высокоэффективных ККМ на компонентах INFINEON