この投稿では、SMPS設計で力率補正回路またはPFC回路を構成するさまざまな方法について詳しく説明し、最新のPFC制限ガイドラインに準拠するようにこれらのトポロジのベストプラクティスオプションについて説明します。

効率的な電源回路の設計はかつてないほど容易でしたが、時間の経過とともに研究者は懸念される問題のほとんどを解決することができました。また、まったく同じように、最新のSMPS設計も最適化されており、現代の電源ユニットのより厳しい品質パラメータを実装する上で重要な役割を果たした新しい規制基準。

PFCガイドライン

現代の電源の品質制限は、製造業者、供給業者、およびその他の関係する統治機関の努力によって、非常に積極的に定められています。

最新の電源設計に定められた多くの品質パラメータの中で、実際には高調波キャンセルの形式である力率補正補正（PFC）は、IEC61000-3-2規則によって必須要件として宣言されています。

このため、設計者は、これらの厳しい現代の法則を満たすために、電源設計の力率補正段階を設計する際に困難な課題に直面することを余儀なくされ、電源はその仕様とアプリケーション範囲でますます手ごわいものになり、適切なPFC回路を構築しますアリーナの多くのメーカーにとって、これ以上簡単にはなりません。

提示されたチュートリアルは、製造業や製造業に携わっているすべての団体や専門家に特別に捧げられています。フライバックSMPSの設計個々の要件に従って、最も理想的なPFCの設計と計算を容易にするため。

これらのチュートリアルに含まれる説明は、最大400ワット、0.75アンペアの範囲の非常に大きなユニットでもPFC回路を設計するのに役立ちます。

読者はまた、LEDドライバーを含む単段絶縁コンバーターの選択について学ぶ機会を得るでしょう。ステップバイステップの設計チュートリアルと手順、およびシステムレベルの比較により、パワーエレクトロニクス分野に積極的に関与する多くの設計者が啓蒙されます。特定のアプリケーションのニーズに最適なアプローチを採用する

力率補正の目的

最新のSMPS（スイッチモード電源）ユニット内の力率補正回路の最適化は、特定のPFC設計を配置することを可能にした多くの高度な関連集積回路（IC）の出現により、最近進化する可能性があります。動作モードと個別のチャレンジ処理機能。

SMPSトポロジの範囲が拡大するにつれ、PFCの設計と実装の複雑さも今日では悪化しています。

最初のチュートリアルでは、修正の専門家が最も好む設計の操作の詳細について学習します。

基本的に、力率補正は、オフライン電源内の入力電流を最適化するのに役立ち、オフライン電源が利用可能な主電源入力からの実際の電力を増強できるようにします。

通常の要件に従って、特定の電化製品は、純粋な抵抗率を持つ負荷としてそれ自体をエミュレートする必要があります。これにより、無効電力消費をゼロにすることができます。

この条件により、入力高調波電流がほぼゼロになります。つまり、消費電流を、通常は正弦波の形である入力電源電圧と完全に同相にすることができます。

この成果により、アプライアンスは主電源からの「実際の電力」を最適かつ効率的なレベルで消費しやすくなり、その結果、電力の浪費が最小限に抑えられ、効率が向上します。

この電気の効果的な使用は、アプライアンスが最も効率的な方法でそれ自体を提示するのに役立つだけでなく、ユーティリティ会社およびプロセスに関連する資本設備にも役立ちます。

上記の機能により、電力線に高調波が発生せず、ネットワーク内のデバイス間で干渉が発生することもありません。

上記の利点とは別に、最新の電源ユニットにPFCを含めることは、すべての電気機器が認定する必要のあるIEC61000-3-2でヨーロッパと日本に設定されている規制要件に準拠することにもなります。

上記の条件は、クラスD機器規格で75ワットを超える定格、またはさらに高い定格のほとんどの電子機器で規制されており、39次高調波までの範囲のライン周波数高調波の最大振幅を指定します。

これらの標準とは別に、PFCは、コンピューターに不可欠なEnergy Star 5.0、電源システムおよびTVセット用のEnergy Star 2.0など、2008年以降の効率を確保するためにも採用されています。

力率の定義

PFCまたは力率補正は、皮相電力に対する実電力の比率として定義され、次のように表されます。

PF =実電力/皮相電力、ここで実電力はで表されます
ワット、皮相電力はVAで表されます。

この式では、実際の電力は、フェーズまたはサイクル全体の電流と電圧の瞬間積の平均として決定され、皮相電力は、電流と電圧のRMS値と見なされます。

これは、対応する電流と電圧が正弦波で互いに同相である場合は常に、結果として生じる力率が1.0であることを示しています。

ただし、電流、電圧パラメータが正弦波であるが同相ではない状態では、位相角の余弦である力率が発生します。

上記の力率条件は、電圧と電流の両方が純粋な正弦波である場合に適用され、付随する負荷が、本質的にすべて非線形である可能性のある抵抗性、誘導性、および容量性のコンポーネントで構成されている状況と関連しています。入力電流および電圧パラメータで調整されていません。

SMPSトポロジは、通常、回路の上記の説明により、メインラインに非線形インピーダンスを導入します。

SMPSのしくみ

SMPS回路は基本的に、入力に半波または全波整流器である整流器ステージと、次のピーク時まで入力電源正弦波のピークレベルにその両端の整流電圧を保持するための補完フィルターコンデンサを含みます。正弦波が現れ、このコンデンサの充電サイクルを繰り返し、その両端に必要なピーク定電圧が発生します。

ACの各ピークサイクルでコンデンサを充電するこのプロセスでは、これらのピーク間隔の間に、SMPSの負荷消費を満たすのに十分な電流を入力に供給する必要があります。

このサイクルは、大電流をコンデンサにすばやくダンプすることによって実装されます。この電流は、次のピークサイクルが到着するまで放電することによって負荷に適用されます。

この不均一な充電および放電パターンの場合、コンデンサからのパルス電流の定格を負荷の平均要件より15％高くすることをお勧めします。

上の図から、かなりの量の歪みがあるにもかかわらず、電圧と電流のパラメータが明らかに互いに同相であることがわかります。

ただし、上記に「位相角余弦」の項を適用すると、電源の力率が1.0であるという誤った推論が発生します。

上下の波形は、電流の高調波成分の量を示しています。

ここでは、「基本波の内容」が100％の振幅と比較して示され、高調波は基本波の補足パーセンテージとして示されています。

ただし、実際の力率は基本波成分によってのみ決定され、他の補助高調波は皮相電力のみを表すため、実際の力率は1.0を大幅に下回る可能性があります。

この偏差を、SMPSユニットで非単一力率を発生させる基本的な原因である歪み係数という用語で呼びます。

実電力と皮相電力の表現

有効電力と皮相電力の関係に対処する一般的な表現は、次のようになります。

ここで、cosΦは電流/電圧波形間の位相角Φから現れる変位係数を形成し、cosΦは歪み係数を示します。

下の図を参照すると、完全な力率補正を示す状況を見ることができます。

ここでは、両方が明らかに同相で互いに同期しているため、電流波形が電圧波形を非常に理想的に複製していることがわかります。

したがって、ここでは、入力電流の高調波はほぼゼロであると見なすことができます。

力率補正と高調波低減

前の図を見ると、力率と低高調波が互いに同期して機能していることがわかります。

それぞれの高調波の制限が概説されている場合、近くの他の機器との干渉電流障害を排除することにより、電力線の入力電流汚染を制限するのに役立つ可能性があると一般に認識されています。

したがって、入力電流の処理は「力率補正」と呼ばれることがありますが、この処理は国際ガイドラインに従って高調波成分として理解されていると考えられます。

SMPSトポロジの場合、通常はほぼ1の変位要素であり、力率と高調波歪みの間に次の関係が生じます。

式では、THDは全高調波歪みを基本波成分に対する有害な高調波の2次和として表し、基本波成分を参照して関連する高調波成分の相対的な重みを表します。他の式は、THDの絶対値と％の比率ではなく、単一のPFを作成するには、THDを本質的にゼロにする必要があることを表します。

力率補正の種類

上の図の入力波形特性は、入力整流器構成とフィルターコンデンサーの間に導入されたSMPSデバイスの典型的な「アクティブ」タイプの力率補正を示しています。PFC集積回路を介して、関連する回路とともに手順を制御します。入力電流が入力電圧波形にまとまって従うようにします。

このタイプの処理は、次の図に示されているように、最新のSMPS回路で採用されている最も一般的なタイプのPFCと見なすことができます。

とはいえ、提案されたPFCには、ICと半導体を使用した「アクティブ」バージョンのみを使用することは必須ではありません。通常、設定された規制を下回る妥当な量のPFCを保証できる他の形式の設計を歓迎します。

実際、「アクティブ」な対応物の位置を置き換える単一のインダクタは、ピークを制御し、入力電圧と非常に効率的に同期して電流を均一に分配することにより、高調波を十分に除去できることに注意してください。

パッシブPFC設計

ただし、この形式のパッシブPFC制御では、非常にかさばる鉄心インダクタが必要になる可能性があるため、コンパクトさが重要な要件ではないアプリケーションに使用できます。（12ページ）

パッシブシングルインダクタはPFCの迅速な解決策のように思われるかもしれませんが、高ワット数のアプリケーションでは、サイズが実用的でないほど大きいため、サイズが面白くなくなる可能性があります。

以下のグラフでは、250ワットのPC SMPSバリアントの3つの数値の入力特性を確認できます。各バリアントは、同等のスケール係数で電流波形を表しています。

パッシブインダクタベースのPFCから得られた結果は、アクティブPFCフィルタの対応物よりも33％高い電流ピークであることが簡単にわかります。

これはIEC61000-3-2規格に合格できる可能性がありますが、最近のより厳格な0.9PF要件ルールと完全に同等ではなく、この新しい規格に従って設定されたQC許容レベルに失敗します。

基本的なブロック図

磁気コアプロセスの上昇と最新のはるかに安価な半導体材料の導入に伴い、銅のコストが上昇するという継続的な電子市場の傾向により、アクティブなPFCアプローチに気付いても驚くことではありません。パッシブなものよりも非常に人気があります。

そして、この傾向は今後さらに強くなると考えられ、多くのSMPS設計者および製造業者にますます高度で強化されたPFCソリューションを提示します。

入力ラインの高調波とIEC610003-2規格の比較

下の図では、IEC6000-3-2の制限を参照して、3つの別々の250ワットPCSMPS結果のトレースを見ることができます。示された制限は、PC、TV、およびそれらのモニターなど、すべてのクラスDガジェットに有効です。

示されている高調波成分の制限は、デバイスの入力電力に応じて固定されています。 LEDライト、CFLライト、クラスCの制限などのライトに関連する製品については、通常、入力ワット数の制限と同じであるクラスCの制限に従います。

“小さなDCモーター速度制御 ”

他の非従来型の電子製品では、PFC制限が最小600ワットの入力電力に比例して設定されています。

パッシブPFCトレースを見ると、設定された制限制限にほとんど準拠していないことがわかります。タッチアンドゴーのような状況です（高調波3）。

パッシブPFC機能の分析

次の図では、従来のPC電源用に設計されたパッシブPFC回路の典型的な例を示しています。ここで注目すべきは、PFCインダクタのセンタータップと入力ラインの入力電圧の接続です。

220V選択モード（スイッチが開いている）では、インダクタの2つのセクション全体が適用され、整流器ネットワークはフルブリッジ整流回路のように機能します。

ただし、110Vモード（スイッチクローズ）では、コイルの50％または半分だけが実装されているコイルの左側のセクションで使用されますが、整流器セクションは現在、半波整流器ダブラー回路に変換されています。

220Vの選択は、全波整流後に約330Vを生成するようにバインドされているため、これはSMPSのバス入力を形成し、入力ライン電圧に応じて大幅に変動する可能性があります。

回路図の例

このパッシブPFC設計は、そのパフォーマンスで非常にシンプルで印象的であるように見えるかもしれませんが、いくつかの顕著な欠点を示す可能性があります。

PFCのかさばる性質に加えて、そのパフォーマンスに影響を与える他の2つのことは、最初に、ユニットの操作中に発生する可能性のある人為的エラーに対してシステムを脆弱にする機械式スイッチの組み込み、および関連する摩耗の問題です。

第二に、線間電圧が安定していないと、PFC出力に関連する費用効果とDCからDCへの電力変換精度の面で比較的非効率になります。

臨界伝導モード（CrM）コントローラー

遷移モードまたは境界伝導モード（BCM）コントローラーとも呼ばれる臨界伝導モードと呼ばれるコントローラーステージは、照明電子機器アプリケーションで効果的に使用されていることがわかる回路構成です。使いやすさは手間がかかりませんが、これらのコントローラーは比較的高価です。

次の図1-8は、通常のCrMコントローラ回路の設計を示しています。

通常、CrMコントローラーPFCは、上記の種類の回路を備えています。これは、次の点の助けを借りて理解できます。

基準乗算器段の入力は、低周波極を有する関連するエラー増幅器出力から適切な寸法の信号を受信します。

乗算器の他の入力は、整流されたACライン入力から抽出された安定化されたDCクランプ電圧を基準にして見ることができます。

したがって、乗算器からの結果の出力は、エラーアンプ出力からの相対DCと、AC入力からの全波AC正弦波パルスの形式の基準信号の積になります。

マルチプライヤステージからのこの出力は、全波正弦波パルスの形でも見ることができますが、入力電圧の基準として使用される適用されたエラー信号（ゲイン係数）に比例して適切に縮小されます。

このソースの信号振幅は、適切に指定された平均電力を実装し、適切に安定化された出力電圧を確保するために適切に調整されます。

電流振幅の処理を担当するステージにより、乗算器からの出力波形に従って電流が流れますが、ライン周波数電流信号の振幅（平滑化後）は、乗算器ステージからのこの基準の半分になると予想される場合があります。。

ここで、電流整形回路による動作は次のように理解することができます。

上の図を参照すると、Vrefは乗算器ステージから出力される信号を表し、2番目の入力が電流波形信号を基準とするコンパレータのオペアンプの1つにさらに供給されます。

電源スイッチでは、インダクタの両端の電流は、シャントの両端の信号がVrefレベルに達するまでゆっくりと増加します。

これにより、コンパレータは出力をオンからオフに変更し、回路の電源をオフに切り替えます。

これが発生するとすぐに、インダクタの両端で徐々に上昇していた電圧がゆっくりとゼロに向かって低下し始め、ゼロに達すると、オペアンプの出力が元に戻って再びオンになり、サイクルが繰り返されます。

上記の特性の名前が示すように、システムの制御パターンでは、連続スイッチングモードと不連続スイッチングモードでインダクタ電流が所定の制限を超えて流れることはありません。

この配置は、オペアンプから得られる出力の平均ピーク電流レベル間の関係を予測および計算するのに役立ちます。応答は三角波の形式であるため、波形の平均は、三角波の実際のピークの正確に50％を意味します。

これは、三角波の電流信号の結果の平均値が=インダクタ電流x Rセンスになるか、または単にオペアンプのプリセット基準レベル（Vref）の半分になることを意味します。

上記の原理を使用するレギュレータの周波数は、線間電圧と負荷電流に依存します。周波数は、より高いライン電圧ではるかに高くなる可能性があり、ライン入力が変化するにつれて変化する可能性があります。

周波数クランプ臨界伝導モード（FCCrM）

さまざまな産業用電源のPFC制御アプリケーションで人気があるにもかかわらず、上記で説明したCrMコントローラーにはいくつかの固有の欠点があります。

このタイプのアクティブPFC制御の主な欠点は、ラインおよび負荷条件に対する周波数の不安定性です。これは、負荷が軽く、ライン電圧が高いほど、また入力正弦波がゼロ交差に近づくたびに周波数が高くなることを示しています。

周波数クランプを追加してこの問題を修正しようとすると、電流波形が歪んだ出力になります。これは、この手順では「Ton」が未調整のままであるため、避けられないようです。

ただし、代替手法の開発は、不連続モード（DCM）でも真の力率補正を実現するのに役立ちます。動作原理は、下の図と添付の式で調べることができます。

上の図を参照すると、コイルのピーク電流は次の式を解くことで評価できます。

スイッチングサイクルを基準とした平均コイル電流（スイッチング周波数は通常、線間電圧の変動が発生するライン周波数よりも高いため、特定のスイッチングサイクルの瞬間ライン電流として追加で想定されます。）、次の式で表されます。

上記の関係と用語の簡略化を組み合わせると、次のようになります。

上記の式は、アルゴリズムがton.tcycle / Tswを一定レベルに維持するように注意する方法が実装されている場合、不連続でも力率が1の正弦波ライン電流を実現できることを明確に示しています。動作モード。

上記の考慮事項は、提案されたDCMコントローラー手法のいくつかの明確な利点を明らかにしていますが、次の表に示すように、関連する高いピーク電流レベルのため、理想的な選択ではないようです。

理想的なPFC条件を達成するための賢明なアプローチは、DCMモードとCrmモードの操作をマージして、これら2つの対応物から最良のものを搾り出す条件を実装することです。

したがって、負荷条件が重くなく、CrMが高周波で動作している場合、回路はDCMモードで動作し、負荷電流が大きい場合は、Crm条件を維持して、電流のピークが望ましくない上限を超える傾向はありません。

提案された2つの制御モードにわたるこの種の最適化は、最も望ましいソリューションを実現するために2つの制御モードの利点が統合された次の図で最もよく視覚化できます。

“7セグメントデコーダへのbcd ”

伝導モードを継続

PFCの連続導通モードは、その柔軟なアプリケーション機能と範囲、および関連するいくつかの利点により、SMPS設計で非常に人気があります。

このモードでは、電流のピーク応力がより低いレベルに維持され、関連するコンポーネント内のスイッチング損失が最小限に抑えられます。さらに、入力リップルが比較的一定の周波数で最小レベルにレンダリングされるため、平滑化プロセスがはるかに簡単になります。同じ。
PFCのCCMタイプに関連する次の属性については、もう少し詳しく説明する必要があります。