Entwurf und Echtzeit-Validierung des PFC-„Totem-Pole“-Modells

Wichtigste Erkenntnisse

• Ein Totempfahl-PFC beseitigt die Verluste der Diodenbrücke, und die Einsparung bleibt nur dann bestehen, wenn der Regler den Rollenwechsel bei jedem Wechselstrom-Nulldurchgang steuert.
• Die Nulldurchgangsverzerrung ist ein Problem der Zeitsteuerung und Abfolge, das durch eine Austastung, einen schrittweisen Neustart und eine sorgfältige Polaritätserkennung gelöst wird.
• Mit dem Echtzeit- Tests , das eine Auflösung auf Schaltpegelebene bietet, können Sie ungünstige Netzbedingungen an Ihrem tatsächlichen Regler simulieren, bevor die „ hardware “ gefährdet wird.

Ein Totempfahl-PFC erzielt seinen Wirkungsgradgewinn nur dann, wenn seine Regelung über den Nulldurchgang der Wechselspannung hinweg stabil bleibt.

Netzteile für Server, Ladegeräte und industrielle Antriebe verfügen alle über eine Vorstufe zur Leistungsfaktorkorrektur, und die dort auftretenden Verluste steigen mit jeder Kilowattleistung, die darauf folgt. Allein Rechenzentren verbrauchten im Jahr 2023 etwa 4,4 % des gesamten Stromverbrauchs in den USA, sodass jede Zehntelpunkt-Einsparung an der Eingangsseite von Bedeutung ist. Durch den Verzicht auf die Diodenbrücke zugunsten von Schaltelementen mit großer Bandlücke lässt sich mehr als ein Zehntel einsparen, was jedoch den Regler vor eine größere Herausforderung stellt.

Dieser Vorgang findet zweimal pro Leitungszyklus in einem Zeitfenster von wenigen hundert Mikrosekunden statt. Die Schalter tauschen ihre Rollen, der Tastgrad schwankt von einem Extrem zum anderen, und die Polaritätsmessung ist zu diesem Zeitpunkt am unzuverlässigsten. Betrachten Sie den Totem-Pole-Wandler zunächst als Steuerungsproblem und erst in zweiter Linie als Topologie. Sie werden den größtmöglichen Nutzen daraus ziehen, wenn der Nulldurchgang gezielt ausgelegt und getestet wird.

Was bei einer Totempfahl-PFC anders ist als bei einer Boost-PFC

Der Hauptunterschied zwischen einer Totem-Pole-PFC und einer herkömmlichen Boost-PFC liegt in der Diodenbrücke. Bei einer Boost-PFC wird die Netzspannung über vier Dioden gleichgerichtet und anschließend der Strom mit einem Schalter geformt. Bei einer Totem-Pole-PFC entfällt die Brücke, stattdessen werden zwei Halbbrückenarme verwendet, um die Gleichrichtung und die Spannungserhöhung in einer einzigen Stufe durchzuführen.

Betrachten wir als allgemeines Beispiel eine 3,3-kW-Stufe an einer 230-V-Leitung. Sie zieht etwa 14 A RMS, und bei einer Brückenschaltung leiten immer zwei Dioden. Bei etwa 1 V pro Diode ergibt das eine Wärmeentwicklung von fast 26 W, was 0,8 % der Durchsatzleistung entspricht. Die höchste Effizienzklasse für Server-Netzteile verlangt einen Wirkungsgrad von 96 % bei Halblast, womit 4 % für alle Verluste im Gerät verbleiben.

Allein für die Brücke würde ein Fünftel dieses Budgets aufgewendet werden. Eine Totempfahl-Schaltung ersetzt sie durch einen schnellen Zweig, der mit hoher Frequenz schaltet, und einen langsamen Zweig, der mit Netzfrequenz schaltet.

„Was man dabei einbüßt, ist die Einfachheit, denn die Korrektur hängt nun von der Firmware ab.“

Warum Schalter mit großer Bandlücke den Dauerbetrieb in leitendem Zustand praktikabel machen

Schalter mit großer Bandlücke machen einen Totem-Pole-Wandler im Kilowattbereich praktikabel, da sie kaum oder gar keine Rückladung aufweisen. Bei kontinuierlicher Leitung wird ein Schalter des schnellen Zweigs zum Einschalten gezwungen, während der andere noch Induktionsstrom über seinen Rückweg führt. Eine Silizium-MOSFET-Körperdiode speichert zu viel Ladung, als dass diese Kommutierung effizient oder sicher wäre.

Stellen Sie sich den schnellen Zweig bei 65 kHz vor, bei dem 20 A durch den Induktor fließen. Bei einem Silizium-Superjunction-Bauelement addiert sich der Erholungsstrom der Body-Diode in jedem Zyklus zum Laststrom, und die daraus resultierenden Verluste sowie die Spannungsbelastung nehmen mit der Frequenz zu. Ein Galliumnitrid-Transistor hat keine Body-Diode, die sich erholen muss, und ein Siliziumkarbid-MOSFET holt nur einen kleinen Teil der Ladung zurück. Der Preis dafür ist eine Vorteil e Geschwindigkeit. Schnellere Flanken verkürzen die Zeit, die Ihrem Controller zur Verfügung steht, um jeden Übergang korrekt auszuführen.

Wie die Totempfahl-PFC-Regelung jeden Halbzyklus verarbeitet

Bei der Totem-Pole-PFC-Regelung werden derselbe äußere Spannungskreis und derselbe innere Stromkreis wie bei einer Boost-PFC verwendet, zusätzlich zu einem Polaritätssignal, das die Rollen der Schalter zuweist. Während der positiven Halbwelle fungiert ein Schalter des schnellen Zweigs als Boost-Schalter, während sein Partner als synchroner Gleichrichter fungiert. In der negativen Halbwelle kehren sich die Rollen um.

Betrachten wir den positiven Halbzyklus. Der schnelle Schalter auf der Low-Seite lädt die Induktivität auf, der schnelle Schalter auf der High-Seite gibt diese Energie an den Bus ab, und der langsame Schalter auf der Low-Seite bleibt eingeschaltet, um den Rückstrom in die Leitung zu leiten. Sobald sich die Polarität umkehrt, übernimmt der schnelle Schalter auf der High-Seite die Aufwärtsschaltung, und der langsame Schalter auf der High-Seite übernimmt den Rückweg.

Der Tastgrad folgt der Kurve. Ein aktiver Schalter benötigt einen Tastgrad von nahezu 100 %, wenn die Eingangsspannung nahe Null liegt. Bei jedem Durchgang wird der Schalter, der fast immer eingeschaltet war, zum Gleichrichter und muss fast immer ausgeschaltet sein.

Nichts in einem Boost-PFC ähnelt diesem Schritt. Die Stromschleife und der Modulator müssen sich über den Zeitpunkt, zu dem dies geschieht, abstimmen, und sie stützen sich dabei auf einen Polaritätsmesswert, der bei minimaler Signalstärke erfasst wird.

Was verursacht Nullpunktüberquerungsverzerrungen in einem Totem-Pole-Wandler?

Verzerrungen beim Nulldurchgang in einem Totem-Pole-Wandler entstehen dadurch, dass der Rollenwechsel zum falschen Zeitpunkt oder zu abrupt erfolgt. Die Induktivität ist kurzzeitig der vollen Busspannung ausgesetzt, und es kommt zu Stromspitzen. Die Folge ist zweimal pro Zyklus eine Kerbe oder Spitze im Leitungsstrom.

Nehmen wir zur Veranschaulichung eine 400-V-Sammelschiene und eine Induktivität von 200 µH an. Wenn der langsame Zweig umschaltet, während der schnelle Zweig noch mit einem Tastverhältnis nahe 100 % läuft, liegt die Sammelschiene über der Induktivität, und der Strom steigt mit 2 A pro Mikrosekunde an. Ein Polaritätsdetektor, der 5 µs zu spät anspricht, erzeugt eine 10-A-Spitze in einer Wellenform, die eigentlich den Nullpunkt passieren sollte.

Die Erfassung verschlimmert das Problem noch. Messabweichungen, Filterverzögerungen und Rauschen durch schnelle Flankenverschiebungen verschieben den erfassten Übergang vom tatsächlichen Zeitpunkt weg, und der Stromschleifenintegrator liefert einen Wert aus dem vorangegangenen Halbzyklus. Jeder Impuls erhöht die harmonische Verzerrung und belastet den EMV-Filter.

Konstruktionsmaßnahmen zur Verringerung der Stromspitze beim Nulldurchgang

Die Nulldurchgangsspitze wird kleiner, wenn der Übergang als sequenzielles Ereignis behandelt wird. Stoppen Sie den schnellen Zweig kurz vor dem Nulldurchgang, warten Sie ein kurzes Austastintervall ab, schalten Sie den langsamen Zweig um und starten Sie dann den schnellen Zweig erneut mit einem Tastverhältnis, das von schmalen Impulsen auf den vorgegebenen Wert ansteigt.

Bei einer gängigen Sequenz werden alle vier Gates für einige zehn Mikrosekunden rund um den erkannten Übergang ausgeblendet. Eine zu lange Ausblendung führt zu einer Abflachung im Stromverlauf, während eine zu kurze Ausblendung den Stromspitzenwert wieder hervorruft; daher ist die Wahl des Zeitfensters eine Einstellungsentscheidung, die Sie für jede Netzspannung und jede Last neu treffen müssen.

So validieren Sie einen Totempfahl-Konverter in Echtzeit

Sie validieren einen Totempfahl-Wandler in Echtzeit, indem Sie Ihren eigentlichen Regler mit einer simulierten Leistungsstufe betreiben, die einzelne Schaltvorgänge abbildet. Hardware-in-the-loop Tests ermöglicht es Ihnen, den Nulldurchgang tausende Male unter Fehler- und Netzstörungen zu wiederholen, deren Nachbildung an einem Prototyp zu riskant wäre.

Die Auflösung bestimmt, wie aussagekräftig der Test ist. Bei 100 kHz dauert eine Schaltperiode 10 µs, und ein Modell mit einer Schrittweite von 1 µs erfasst diese in nur 10 Schnitten. Eine Totzeit von 100 ns verschwindet bei dieser Schrittweite, und eine grobe Totem-Pole-PFC-Simulation verbirgt genau das Verhalten, das Sie stammte sehen möchten. OPAL-RT führt das Wandlermodell auf FPGA-basierten Simulatoren aus, sodass das Totem-Pole-Schalten über den Nulldurchgang in Echtzeit modelliert wird.

Ein sinnvoller Testplan deckt die Fälle ab, die bei der manuellen Prüfung oft übersehen werden.

• Netzspannungsabfälle und -anstiege, die an einer Kreuzung auftreten
• Frequenzschritte zwischen 47 Hz und 63 Hz
• Flache Netzspannung mit wiederholten Durchgängen
• Leichtlastbetrieb, bei dem der Strom unterbrochen wird
• In das Polaritätssignal eingespielte Sensor-Offset- und Verzögerungswerte

Jeder Fall wiederholt sich nach jedem Firmware-Wechsel identisch, sodass ein am Montag abgestimmtes Blanking-Fenster vor dem Build am Freitag einem Regressionstest unterzogen werden kann.

Wo sich eine disziplinierte Nullpunkt- Tests n im Vergleich zu einem Programm auszahlt

Eine konsequente Nullpunktüberquerungs Tests s zahlt sich aus, da die dadurch vermiedenen Ausfälle besonders kostspielig sind. Ein in der Simulation festgestellter Stromspitzenwert erfordert lediglich eine Änderung der Firmware. Wird derselbe Spitzenwert hingegen bei der Konformitäts Tests oder in einem ausgefallenen Feldgerät festgestellt, führt dies zu einer Überarbeitung der Platine, einer Verzögerung im Zeitplan und einem Vertrauensverlust in Ihrem Team.

„Ein in der Simulation festgestellter Stromspitzenwert erfordert eine Änderung der Firmware.“

Teams, die mit dieser Topologie zu kämpfen haben, haben selten die falschen Schalter ausgewählt. Häufiger haben sie die Umschaltung an einem Prototyp bei einer bestimmten Netzspannung abgestimmt und sind dann auf ein schwaches Netz oder einen Kaltstart gestoßen, wodurch sich das Timing verschoben hat. Was ein zuverlässiges Produkt von einem anfälligen unterscheidet, ist die Anzahl der Umschaltungen, die Ihr Controller vor der Auslieferung durchlaufen hat, und wie „hässlich“ Sie diese gestaltet haben.

Stellen Sie den Regler vor ein Modell, das das Umschalten realistisch abbildet, unterbrechen Sie die Überkreuzung absichtlich und bewahren Sie die Nachweise auf. OPAL-RT erstellt Echtzeitsimulationen für diese Art von Aufgaben, sodass die empfindlichsten paar hundert Mikrosekunden Ihres Netzzyklus genauso gründlich getestet werden wie alles andere auch.