高周波PCB技術 - 工業用AC/DC電源の信頼性を高める方法

電源の信頼性を高める鍵は、主に入力電圧と必要な電力の関数である電力素子の熱、電圧、電流応力を低減することにあります。ただし、これらの応力を軽減するのに役立つトポロジを選択することができます。

同様に、熱応力は定格電力の関数であるが、電源効率も重要な役割を果たしています。そのため、信頼性を追求する中で、効率的なトポロジ構造と回路素子を提供することを探索することは極めて重要です。

工業用AC/DC電源の信頼性向上

我々の94.5%効率、500 W工業AC/DCリファレンス設計において、フロントエンド力率補正（PFC）ステージは、単段連続導通モード（CCM）昇圧トポロジ構造が実行可能であるにもかかわらず、インタリーブ式遷移モード昇圧トポロジです。トポロジー選択は主にデバイス圧力の考慮からで、2段並列動作により、パワー素子（昇圧インダクタンス、スイッチング金属酸化物半導体電界効果トランジスタ［MOSFET］及び整流ダイオード）中の電流応力を2倍低減したインタリーブトポロジ。【図1】2つのトポロジの簡略化された図を示します。

図1：千鳥式と単段昇圧PFC

ターンオン応力が著しく低下しているため、遷移モードPFCはスイッチング応力を低減する上で優位性があります。入力電圧が出力電圧の半分未満になると、フィルタモードの電圧はゼロに切り替わり、入力電圧が高くても、電圧切替レベルは著しく低下します。すべての条件下で、MOSFETと整流器にはゼロ電流スイッチ（ZCS）があります。ZCS動作により、整流ダイオードにおける逆回復がほぼ解消され、応力を低減し、電磁干渉（EMI）を低減するのにも役立ちます。EMIを低減することは直接的な信頼性の利点を提供することはできないが、EMIフィルタ素子の数の減少、および敏感な回路セグメントのノイズピックアップの可能性の低下は、間接的に電源全体の信頼性の向上に役立つことができます。

熱応力を考慮すると、インタリーブされた遷移モード昇圧トポロジは、CCMトポロジよりも再び有利です。インタリーブ遷移モードトポロジでは、コンポーネントは低い温度で動作し、CCMトポロジよりも、ほとんど同じ電力損失を共有するコンポーネントが多いです。温度低下条件下での動作は電源信頼性にかなりの影響を与え、特に強制換気設備のないシステムです。

また、インターリーブ動作により、入出力コンデンサにおけるリップル電流が大幅に低減されます。これは重要な考慮要素であり、特にアルミニウム電解型出力コンデンサは、全体的な電源の信頼性を決定する脆弱な一環です。PFC応用において、リップル電流は出力コンデンサの寿命（寸法、コスト、可用性の原因で電圧定格値が450 V/500 Vに制限される）を決定する重要な要素です。リップル電流の低下は仕様の低下だけでなく、消費電力の低下による温度低下も顕著に見られるべきです。

DC／DCステージの場合、インダクタンス−インダクタンス−容量（LLC）トポロジーは、電流応力を増加させることが確実であるにもかかわらず、低下したスイッチング応力を持つためです。共振周波数をわずかに上回るフルロードでの動作は、ZCSオフによる出力同期MOSFETボディダイオードの逆回復を回避しながら、電流応力の増加を制限的に低減することができます。

この設計により、複雑さを増やすことなく、95%近くの効率が実現されます。PFCレベルの効率は230 Vで98%より高く、115 Vで96.5%より高いLLCレベルの効率は96.5%より高いです。トポロジとコンポーネント選択は、このパフォーマンスに影響を与える要因です。

もう1つの考慮すべきポイントは、回路の動作範囲内での効率です。寿命の間、常にフルロードまたはフルロードに近い状況で動作するわけではありません。そのため、幅広い操作領域で良好な効率を実現することが重要です。これがPFCとLLCの電力レベルのためのコントローラの選択が重要になる点です。

本設計で使用される2つのコントローラ（PFC用UCC 28064 AとLLC用UCC 256301）は、図2に示すように、広い動作範囲で効率的な利点を提供する制御技術を有します。また、本設計で使用されるUCC 24612は、整流器コントローラとドライバを同期させ、ほぼ理想的なダイオードシミュレーションを実現することで出力整流器損失を低減し、間接的に一次側損失を低減します。これらのコントローラ装置の全体的な信頼性向上への貢献は重要ではありません。

図2：PFCとLLCレベルの効率

産業用電源アプリケーションでは、コンポーネントの圧力を低減できるトポロジを選択する必要があります。コンポーネント圧力を減らすことができるので、インタリーブされた遷移モード昇圧トポロジとLLCトポロジは他のトポロジよりも良い選択です。トポロジー選択では、熱応力が直接関係しているため、電力損失をより多くのコンポーネントに割り当てることを考慮し、効率を高めることが重要です。

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