Implementierung einer Leistungsfaktorkorrektur für einen CCM-Aufwärtswandler

Wichtigste Erkenntnisse

• Eine CCM-Boost-PFC-Stufe funktioniert am besten, wenn Sie zunächst den Sollwert für die Stromwellenform festlegen und dann die Induktivität, den Sensor und die Regelkreise entsprechend dieser Anforderung dimensionieren.
• Der Ripple-Strom bei niedriger Spannung ist der entscheidende Faktor bei der Auswahl von Induktivitäten, da er die anspruchsvollsten Bedingungen für die Aufrechterhaltung eines konstanten Stroms und eine störungsfreie Erfassung darstellt.
• Eine Simulation ist nur dann aussagekräftig, wenn sowohl der Messpfad als auch der Regelpfad Teil des Modells sind, da Verzerrungen der Wellenform häufig eher auf diese Verbindungen zurückzuführen sind als allein auf die Leistungsstufe.

Ein Boost-PFC im Dauerleitungsmodus funktioniert, wenn die Induktivitätswelligkeit, der Stromsensor und der Regelkreis ausgehend vom Verlauf des Eingangsstroms rückwärts ausgelegt werden.

Falsch dimensionierte Boost-PFC-Stufen können zwar die Busspannung erreichen, verfehlen aber dennoch den Sollwert für den Netzstrom, da die Wellenform nie als Auslegungsgrundlage diente. Ein einphasiges CCM-Boost-Frontend muss einen nahezu sinusförmigen Strom aus einer gleichgerichteten Netzquelle beziehen und dabei den Schalter, die Diode, die Induktivität und den Regelkreis innerhalb vertretbarer Belastungsgrenzen halten. Der weltweite Strombedarf stieg im Jahr 2023 um 2,2 %, weshalb die Effizienz des Frontends und die Stromqualität weiterhin eine sorgfältige technische Auslegung erfordern. Sie erzielen ein besseres Design für den Boost-Wandler, wenn jede Komponentenauswahl anhand der Stromwellenform überprüft wird, die sie erzeugen wird.

Der Dauerbetriebsmodus bestimmt den Stromfluss während jedes Schaltzyklus.

Der kontinuierliche Leitungsmodus bedeutet, dass der Strom durch die Boost-Induktivität während einer Schaltperiode niemals auf Null abfällt. Diese eine Bedingung verändert die gesamte Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur, da die Stromschleife statt isolierter Strompakete eine nahezu kontinuierliche Rampe wahrnimmt. Man steuert einen mittleren Stromverlauf, während der Induktivitätsstrom von Zyklus zu Zyklus kontinuierlich bleibt. Daher ist der CCM die übliche Wahl für die Auslegung von Boost-Wandler-Schaltungen mit mittlerer und hoher Leistung.

Eine 500-W-Stufe mit universellem Eingang macht den Unterschied deutlich. Bei 100 kHz führt eine richtig dimensionierte Induktivität eine dreieckförmige Welligkeit um eine ansteigende und abfallende Hüllkurve mit Netzfrequenz, sodass die Stromwellenform von einem Schaltzyklus zum nächsten zusammenhängend bleibt. Diese Kontinuität reduziert den Spitzenstrom im Vergleich zum diskontinuierlichen Betrieb, was die Belastung der Schaltelemente verringert und häufig die Grenzwerte für leitungsgebundene Emissionen verbessert. Der Nachteil ist die Komplexität der Regelung, da die Strommessung und die Regelkreiskompensation einer kleinen Welligkeit folgen müssen, die auf einem viel größeren sinusförmigen Sollwert aufliegt.

Die Blindleistungskompensation beginnt mit dem Sollwert für den Eingangsstrom

Die Leistungsfaktorkorrektur beginnt mit dem gewünschten Strom aus dem Netz, nicht mit dem Ausgangskondensator oder dem Tastverhältnis. Eine CCM-Boost-PFC-Stufe sollte dafür sorgen, dass der Eingangsstrom der gleichgerichteten Eingangsspannung folgt, nachdem eine Leistungsskalierung vorgenommen wurde. Das bedeutet, dass die Zielwellenform sinusförmig und proportional zur momentanen Netzspannung ist. Sobald dieses Ziel klar ist, hat der Rest des Designs des Aufwärtswandlers eine festgelegte Aufgabe.

Ein 300-W-Netzteil an 230 V Wechselspannung veranschaulicht dies. Ist die gleichgerichtete Netzspannung hoch, muss der vorgegebene Induktivitätsstrom schrittweise ansteigen, damit der Eingang für die Quelle ohmsch wirkt; fällt die Netzspannung nahe dem Nulldurchgang ab, muss auch der vorgegebene Strom sanft abfallen. ENERGY STAR -Computer-Netzteile mit einer Nennleistung von 75 W oder mehr schreiben einen Leistungsfaktor von mindestens 0,90 bei 100 % der Nennleistung vor. Ist Ihre Stromreferenz falsch, kann auch kein späterer Regelungsschritt mehr eine saubere Eingangswellenform wiederherstellen.

Die Wahl der Ausgangsspannung legt den Betriebsbereich des Aufwärtswandlers fest

Die Ausgangsspannung bestimmt den Arbeitszyklusbereich, die Belastung der Halbleiter, die Hold-up-Reserve und die Netzstrombelastung über den gesamten Netzspannungsbereich. Eine zu niedrige Bus-Spannung erzwingt einen hohen Arbeitszyklus bei niedriger Netzspannung, was den Effektivstrom erhöht. Eine zu hohe Bus-Spannung erhöht die Spannungsbelastung der Schaltelemente und erschwert die Aufrechterhaltung des Wirkungsgrads. Sie sollten die Bus-Spannung vor der endgültigen Dimensionierung der Magnetkomponenten festlegen.

Bei einer gängigen Schaltungsausführung wird für den Universaleingangsbetrieb eine Bus-Spannung von etwa 380 V bis 400 V verwendet. Diese Wahl bietet einen Spielraum oberhalb der gleichgerichteten Spitzenspannung der Hochspannungsleitung und hält gleichzeitig die Nennwerte von Schaltelementen und Dioden im praktikablen Bereich. Wird die Bus-Spannung in Richtung 450 V erhöht, verringern sich die Verlustleistungen der Bauteile und die Isolationsreserven. Sinkt sie in Richtung 340 V, steigt der Arbeitszyklus der Niederspannungsleitung, was die Welligkeitsregelung erschwert.

Der Induktivitätswert ergibt sich aus dem Brummstrom bei niedriger Netzspannung

Die Induktivität in einer CCM-Boost-Stufe wird anhand des zulässigen Welligkeitsstroms am ungünstigsten Betriebspunkt festgelegt, der in der Regel bei niedriger Netzspannung und Volllast liegt. An diesem Punkt treten der größte Tastgrad und der höchste durchschnittliche Eingangsstrom auf. Ein sinnvoller Auslegungsprozess beginnt mit der Festlegung eines Zielwerts für den Welligkeitsanteil und ermittelt anschließend die Induktivität anhand der Schaltfrequenz und der niedrigen Netzspannung. Dabei wird in erster Linie die Stromform und erst in zweiter Linie der Kupferverlust berücksichtigt.

Ein praktisches Beispiel verdeutlicht die Methode. Nehmen wir eine Eingangsspannung von 90 VAC, eine Ausgangsspannung von 390 V, eine Leistung von 500 W und eine Schaltfrequenz von 100 kHz. Legen Sie dann in einem ersten Durchgang die Welligkeit auf etwa 20 % bis 40 % des Spitzennetzstroms fest. Die übliche Beziehung zwischen Einschaltzeit und Welligkeit ergibt eine Induktivität, die die Schaltwelligkeit für den Dauerstrom klein genug hält, ohne dass ein überdimensioniertes magnetisches Bauteil erforderlich wird. Eine hohe Welligkeit erhöht die Nulldurchgangsverzerrung und das Sensorrauschen. Eine sehr geringe Welligkeit erhöht das Volumen und die Kosten und verlangsamt das Einschwingverhalten.

Die Strommessung muss mit der Wellenform der CCM-Spule übereinstimmen

Die Strommessung in einer CCM-PFC-Stufe muss die Wellenform erfassen, die der Regler tatsächlich benötigt, nämlich den Induktorstrom oder ein unverfälschtes Äquivalent davon. Der Sensor muss Schaltstörungen standhalten, die Steigung beibehalten und über den gesamten Netzzyklus hinweg linear bleiben. Man kann den Sensor nicht erst auswählen, nachdem die Leistungsstufe fertiggestellt ist, da seine Grenzen die Stromschleife bestimmen. Die Platzierung des Sensors gehört in die Schaltung des Aufwärtswandlers und muss gemeinsam mit dieser entworfen werden.

Ein Low-Side-Shunt unter dem Schalter liefert ein einfaches Signal, allerdings weist die Wellenform scharfe Flanken auf und erfordert eine Austastung. Ein Induktivitäts-DCR-Netzwerk kann die Verlustleistung reduzieren, doch Temperaturdrift und Filterverzögerung müssen sorgfältig berücksichtigt werden, da der Regelkreis sonst einer verzögerten Stromschätzung nachläuft. Ein Modell in SPS SOFTWARE ist hier hilfreich, da der Stromsensor, der Filter und die PWM-Ausblendung an dieselbe Induktivitätswellenform angebunden werden können, die Sie dimensioniert haben. Dadurch wird deutlich, wenn ein auf den ersten Blick sauberes Messschema tatsächlich die Strominformationen verfälscht, auf denen die CCM-Regelung basiert.

„Die Anordnung des Sensors gehört in die Schaltung des Aufwärtswandlers und muss bei deren Auslegung berücksichtigt werden.“

Die Stromschleife muss der gleichgerichteten Sinuskurve folgen

Die Regelschleife in einer CCM-Boost-PFC-Stufe muss dafür sorgen, dass der durchschnittliche Induktivitätsstrom über den gesamten Netzzyklus hinweg einer gleichgerichteten sinusförmigen Referenzkurve folgt. Eine gute Nachführung hält den Leistungsfaktor hoch und die harmonische Gesamtverzerrung niedrig. Die Regelschleife muss schnell genug sein, um Fehler im Schaltbereich zu korrigieren, und langsam genug, um Rauschspitzen zu ignorieren. Da Sie eine Wellenform formen, müssen Bandbreite und Filterung ausschließlich diesem einen Zweck dienen.

Ein auf einem Multiplikator basierender Regler liefert ein anschauliches Beispiel. Der äußere Spannungskreis legt das Leistungsniveau fest, die gleichgerichtete Netzspannung liefert die Wellenform, und der innere Stromkreis sorgt dafür, dass der gemessene Strom in jedem Schaltzyklus diesem Sollwert folgt. Ist der Stromkompensator zu langsam, tritt nahe dem Spitzenwert des Netzzyklus eine Spitzenabflachung auf, und der Netzstrom beginnt, hinter dem Sollwert zurückzufallen. Ist der Kompensator zu aggressiv, dringt Schaltwelligkeit in den Tastgrad ein, und die Stromwellenform wird unregelmäßig. Eine gute Abstimmung zeigt sich in einer glatten sinusförmigen Hüllkurve mit lediglich einer kontrollierten dreieckförmigen Welligkeit im oberen Bereich.

Die Bandbreite der Spannungsschleife muss unterhalb der Netzfrequenz bleiben

Die Spannungsregelungsschleife in einer einphasigen Boost-PFC-Stufe muss deutlich langsamer sein als die Netzwellenform, damit sie nicht auf Leistungsschwankungen reagiert, die das Doppelte der Netzfrequenz betragen. Eine schnelle Spannungsregelungsschleife führt zu Verzerrungen in der Stromreferenz und verschlechtert den Leistungsfaktor. Eine langsame Regelungsschleife sorgt für eine stabile Ausgangsspannungsregelung und lässt gleichzeitig die Stromregelungsschleife ihre Aufgabe erfüllen. Dies ist eine der wichtigsten Grenzen, die ein funktionierendes CCM-Design von einem rauschbehafteten unterscheidet.

Eine 60-Hz-Versorgung führt zu einer Leistungswelligkeit von 120 Hz im Gleichstrombus, selbst bei hervorragender Stromformung. Wenn sich der Übergangspunkt des Spannungskreises dieser Welligkeit annähert, beginnt der Regler, eine normale Energieschwankung so zu korrigieren, als handele es sich um einen Fehler, was zu einer sichtbaren Stromverzerrung nahe jeder Halbzyklusspitze führt. Aus diesem Grund halten viele Entwickler den Spannungskreis deutlich unter 20 Hz. Der Ausgangskondensator, das Lastsprungziel und die Hold-up-Anforderung spielen zwar nach wie vor eine Rolle, müssen jedoch gegen die Notwendigkeit abgewogen werden, den Strombefehl frei von Netzfrequenz-Welligkeit zu halten.

„Bei einem guten PFC-Design geht es weniger um isolierte Gleichungen als vielmehr darum, jede Entscheidung im Einklang mit der aktuellen Form zu treffen.“

Durch Simulation sollten Stromverzerrungen bereits vor der Hardwareauswahl aufgedeckt werden

Eine gute Simulation einer Aufwärtswandlerschaltung zeigt den Stromverlauf, die Welligkeit, den Tastgradbereich und die Sensorgrenzen auf, noch bevor die Hardware ausgewählt wird. Diese Überprüfung ist nützlicher als ein übersichtlicher Schaltplan, da der Erfolg des CCM von der Qualität der Wellenformen bei niedriger und hoher Netzspannung sowie bei leichter und voller Last abhängt. Wenn das Modell den Regelpfad einbezieht, lassen sich ungeeignete Bauteile frühzeitig erkennen. Genau hier spart ein diszipliniertes Design in der Regel Zeit.

Ein sinnvolles Prüfmodell sollte diese fünf Punkte überprüfen, bevor die Teile fixiert werden:

• Die Low-Line-Welligkeit bleibt innerhalb des vorgesehenen CCM-Bereichs.
• Durch die Sensorfilterung bleibt die Steigung des Induktorstroms erhalten.
• Die aktuelle Referenz entspricht der gleichgerichteten Hüllkurve.
• Die Spannungsschleife moduliert den Verlauf des Netzstroms nicht.
• Die Belastungen von Schalter und Diode bleiben innerhalb der zulässigen Grenzwerte.

Ein Modell, das den Induktor, den Stromsensor, die PWM-Logik und die Kompensatoren umfasst, verdeutlicht, warum manche Bauteilwerte auf dem Papier zwar sicher erscheinen, aber dennoch Verzerrungen verursachen. Darin liegt der praktische Nutzen von SPS SOFTWARE in diesem Arbeitsablauf: Sie können die gesamte CCM-Boost-Stufe mit angeschlossenem Mess- und Regelpfad testen und die Bauteile anschließend anhand der von ihnen erzeugten Wellenform beurteilen. Bei einem guten PFC-Design geht es weniger um isolierte Gleichungen als vielmehr darum, jede Entscheidung im Hinblick auf die Stromwellenform zu überprüfen.