Leistungsfaktorkorrektur

Stromspitzen beim Nulldurchgang in PFC-Schaltungen eindämmen

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Vier Szenarien, die Strom­spitzen verursachen können

  • Szenario 1: Bild 5 verdeutlicht, dass sich das Tastverhältnis des Schalters Q3 am Nulldurchgang zwischen negativer und positiver Halbwelle abrupt von nahezu 100% auf 0% ändert. Umgekehrt ist es beim Schalter Q4, dessen Tastverhältnis plötzlich von null auf fast 100% springt. Wegen des langsamen Sperrverzögerungsverhaltens der Body-Diode von Q1 und des hohen COSS-Werts von Q2 ist der VDS-Wert von Q2 nach wie vor gleich VOUT (400 V). Da diese hohe Spannung mit dem Einschalten von Q4 an die Induktivität gelangt, entsteht eine positive Stromspitze. Dieses Szenario wird in [3] analysiert. Als Abhilfe empfiehlt sich eine Softstart-Methode für Q4.
  • Szenario 2: Auch bei einem Softstart von Q4 kommt es jedoch noch zu übermäßig hohen Stromspitzen. Der Grund hierfür ist, dass VAC unmittelbar nach dem Nulldurchgang noch sehr gering ist und nicht für den Aufbau des Spulenstroms ausreicht. Wenn dagegen Q3 mit 1 – D einschaltet, ist zwar sein Tastverhältnis noch nicht hoch, doch die an die Induktivität gelangende Spannung ist hoch (400 VOUT). Der daraus resultierende hohe Rückstrom durch die Induktivität lässt eine negative Stromspitze entstehen.
  • Szenario 3: Kritisch ist auch das Timing für das Einschalten von Q2, denn es kann ein Shoot-through-Strom entstehen, wenn Q2 vor dem Softstart von Q4 einschaltet und sich die Body-Diode von Q1 nicht schnell genug regeneriert.
  • Szenario 4: Ein zu spätes Einschalten von Q2 kann zum Entstehen einer negativen Stromspitze führen (Bild 6). Die hohe Spannung VBUS erzeugt einen Rückstrom in der Induktivität, wenn Q3 eingeschaltet ist, während Q2 abgeschaltet ist. Dieser Rückstrom schaltet zunächst die Body-Diode von Q2 ab und beginnt dann die Kapazität COSS von Q2 zu laden. Der VDS-Wert von Q2 beginnt dann auf einen hohen Wert zu steigen. Wenn dann Q4 einschaltet, sorgt die an die Induktivität gelangende hohe Spannung (VDS + VIN) für das Entstehen einer hohen Stromspitze in der Induktivität. Sowohl die steigende als auch die fallende Flanke des Spulenstroms haben also ein erhebliches Ausmaß. Sie sind aber so gut im Gleichgewicht, dass sich der durchschnittliche Strom auf einen kleinen positiven Wert beschränkt. Wenn Q2 nun bei t1 einschaltet, wird der VDS-Wert von Q2 auf null begrenzt. Schaltet jetzt Q4 ein, gelangt nur VIN an die Induktivität. VIN aber ist sehr gering und reicht nicht aus, um einen genügend hohen Strom in der Induktivität entstehen zu lassen. Somit ist die steigende Stromflanke sehr gering. Da die fallende Flanke jedoch nach wie vor sehr groß ist, besteht keine Ausgewogenheit mehr und es entsteht eine große negative Stromspitze.

Eindämmung der Stromspitzen beim Nulldurchgang

In diesem Beitrag wird eine neue Regelungsmethode vorgeschlagen, die das Stromspitzen-Problem beseitigt. Q1, Q2, Q3 und Q4 werden hierzu in einer bestimmten Reihenfolge eingeschaltet, wobei jeweils ein Softstart-Mechanismus angewandt wird. Bild 7 zeigt die Treibersignale für diese neue Methode. Bei dieser Lösung wird Q4 nach dem Nulldurchgang zwischen negativer und positiver Halbwelle zunächst mit sehr geringer Impulsbreite eingeschaltet, bevor die Impulsbreite langsam auf D (das von der Regelschleife vorgegebene Tastverhältnis) angehoben wird. Dieser Softstart von Q4 gibt Q1 Gelegenheit, sich vollständig zu regenerieren.

Jetzt reduziert sich die Spannung VDS von Q2 langsam bis auf das Massepotenzial, sodass die aus Szenario 1 resultierende Stromspitze vermieden wird. Ist der Softstart von Q4 abgeschlossen, beginnt das sanfte Einschalten des Sync-FET Q3 mit geringer Impulsbreite, die anschließend langsam auf 1 – D erhöht wird. Hierdurch wird die von Szenario 2 hervorgerufene negative Stromspitze eliminiert.

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Wenn der Softstart von Q4 beendet ist und der Softstart von Q3 beginnt, wird der Niederfrequenz-Schalter Q2 eingeschaltet. Da sich die Body-Diode von Q1 zu diesem Zeitpunkt bereits regeneriert hat, bleibt das in Szenario 3 beschriebene Shoot-through-Phänomen aus. Da Q3 außerdem mit sehr geringer Impulsbreite zu schalten beginnt, reicht es nicht für den Aufbau eines genügend hohen Rückstroms, sodass es nicht zu der in Szenario 4 beschriebenen Stromspitze kommt.

Kurze Totzone verhindert Kurzschluss

Es kann vorkommen, dass die Nulldurchgangserkennung wegen Störungen falsch ausgelöst wird. Aus Sicherheitsgründen werden deshalb am Ende einer positiven Halbwelle alle Schalter abgeschaltet. Dies verhindert ein Kurzschließen der eingangsseitigen Wechselspannung.

Die Regelschleife sollte in dieser Totzone übrigens kurz stehenbleiben. Sonst könnte es beim Wiedereinschalten der PFC-Schaltung dazu kommen, dass das Hochlaufen des Integrators einen langen PWM-Impuls erzeugt, der eine hohe Stromspitze zur Folge haben kann. Das gleiche Funktionsprinzip gilt für den Übergang von einer positiven zu einer negativen Halbwelle.

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