Leistungsfaktorkorrektur

Stromspitzen beim Nulldurchgang in PFC-Schaltungen eindämmen

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Diese skizzierte Methode wurde an einer Totem-Pole-PFC-Schaltung mit 1 kW Leistung verifiziert, die von einem digitalen Controller des Typs UCD3138 von Texas Instruments gesteuert wurde. Bild 8 zeigt Eingangsspannung und Stromverlauf mit der traditionellen Regelungsmethode, während in Bild 9 die Verhältnisse mit der neuen Methode zu sehen sind. Beide Tests wurden unter identischen Bedingungen durchgeführt. Man erkennt deutlich die wesentlich kleineren Stromspitzen mit der neuen Methode und den erheblich gleichmäßigeren Stromverlauf in den Nulldurchgängen. Der Gesamtklirrfaktor (THD) verringert sich hierdurch von 8,1% auf 3,7%.

Fazit: Obwohl die Totem-Pole-PFC-Schaltung inzwischen auf immer mehr Interesse stößt, stehen gewisse Designprobleme ihrer allgemeinen Verbreitung entgegen. Ein prinzipbedingtes Problem bei Totem-Pole-PFC-Schaltungen sind die beim Nulldurchgang der eingangsseitigen Wechselspannung auftretenden Stromspitzen. Die Ursachen für diese Stromspitzen sind recht kompliziert. Anzuführen sind die Reihenfolge des Einschaltens, das langsame Sperrverzögerungsverhalten der MOSFET-Body-Dioden, der hohe COSS-Wert der MOSFETs, das plötzliche Einschalten des aktiven FET mit nahezu 100% Tastverhältnis, das abrupte Einschalten des Sync-FET usw. Alle diese Szenarien tragen zum Entstehen von Stromspitzen bei. Indem man die Schalter in einer speziellen Reihenfolge einschaltet und bei den Haupt- und Sync-FETs einen Softstart-Mechanismus anwendet, lassen sich die Stromspitzen jedoch gravierend eindämmen, wodurch sich der Klirrfaktor entscheidend verbessert.

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Referenzen:

[1] HJ. C. Salmon, “Circuit topologies for PWM boost rectifiers operated from 1-phase and 3-phase ac supplies and using either single or split dc rail voltage outputs,” in Proc. IEEE Applied Power Electronics Conf., März 1995, S. 473 – 479.

[2] L. Huber, Y. Jang and M. Jovanovic, “Performance Evaluation of Bridgeless PFC Boost Rectifiers”, IEEE Transaction on Power Electronics, Vol. 23, No. 3, Mai 2008.

[3] B. Su, J. Zhang and Z. Lu, “Totem-pole Boost Bridgeless PFC rectifier with simple zero-current detection and full-range ZVS operating at the boundary of DCM/CCM,” IEEE Trans. Power Electron., Vol. 26, No. 2, Feb. 2011.

[4] Z. Ye, A. Agular, Y. Bolurian and B. Daugherty, “GaN FET-Based CCM Totem-Pole Bridgeless PFC,” The 23rd TI Power Supply Design Seminar, 2014.

* Bosheng Sun ist Systems Engineer, High Power Controller Solutions, bei Texas Instruments.

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