AC-DC変換用の力率補正ICの選択

ACメインから電力を取り出す場合、高効率のAC-DC変換を保証するためにパワーファクター補正ICを使用できます。

機能的に完璧な設計を作成することは一つのことですが、その設計が法的にメインに接続できることを保証することは別のことです。デバイスが安全で機能的であるかどうかは実際の問題ではありません。代わりに、電源ステージの高変換効率を保証すること、それが独自のユニットとしてであれPCB上に統合されているかどうかは、高いパワーファクターを維持することについてです。これは多くの設計者によって見落とされがちな側面ですが、標準への準拠には重要です。

このパワーファクター補正を制御する必要性は、産業レベル、消費者レベル、およびその間のどこでも適用されます。ACメインから電力を供給し、スイッチングレギュレーターでDC入力を調整している場合は、パワーファクター補正ICを追加することを検討すべきです。その利点には、標準への準拠と、お客様の電気代の節約が含まれます。次のPCB用にパワーファクター補正ICを選択する際に注意すべき点は次のとおりです。

パワーファクター補正とは何ですか？

電気システムのパワーファクターは、システムによって実際に引き出される電力と、システムによって引き出される見かけの（または理論的な）電力との比として定義されます。トランスフォーマーを使用した単純な線形のステップアップおよびステップダウンAC変換（例えば）、または電圧分割器を使用した線形のDC-DC変換（例えば）の場合、リアクティブ電力がないときのシステムの効率に等しいパワーファクターです。この場合、パワーファクター補正は単にシステムにいくらかの位相進みまたは位相遅れを追加することで、システムによる電流の引き出しが入力電圧と完全に位相同期するようにすることを意味します。

AC-DC変換およびその後の調整において、非線形コンポーネントの存在のために状況はより複雑です。ここでは、整流器で使用されるダイオードなどの非線形コンポーネントが、レギュレーターステージへの入力での電流波形に高調波歪みを生じさせます。本質的に、整流器セクションに電流が引き込まれるのは、整流器のダイオードが導通しているときだけで、システムに電流のパルスを生じさせます。

これは、平滑コンデンサーの前で整流器を持つシステムの例の波形で以下に示されています。青い曲線は平滑コンデンサーに入力される整流されたAC電圧を示し、赤い曲線は整流器のダイオードが導通するたびに電流が引き出されることを示します。

平滑コンデンサー/レギュレーターステージの前の整流器における電圧および電流の波形。

なぜこれが起こるのでしょうか？整流器のダイオードは非線形コンポーネントであり、入力電圧がある閾値を超えると、その直流抵抗が高状態と低状態の間で実質的に変化するため、整流された電圧が十分に高くなったときにのみ、大きな電流を引き出します。これが、整流時の入力電流が整流された正弦波ではなく、パルスとして現れる理由です。これにより、AC電源に高調波歪みが生じ、高THDは基本的にグリッドの他の場所で電力を無駄にするため、特定のレベル以下に保つ必要があります。

この例では、システムの力率が60%で、レギュレータの理論的な効率が95%だと仮定します。実際の効率は60% x 95% = 57%になります。これは、カスケード電力調整戦略では、一つのブロックの低い力率/効率が下流のブロックの効率を低下させることを示しています。力率補正回路を追加することで、下流の電圧レギュレータ段への電流引き込みを滑らかにし、真の電圧波形により近づけることで、電源セクションの全体的な効率を向上させます。

力率補正ICの選択

整流器の出力と下流のレギュレータ段の間に力率補正ICを追加することで、システムの全体的な力率を1に近づけます。COTSコンポーネントは、力率を非常に1に近づけることができます。力率補正ICを選択する際に注意すべき他の評価基準があります：

• 最大電圧および電流定格：力率補正ICは、非常に高電圧/高電力システム用に設計されていません。これらの定格に注意して、チップが焼損しないようにしてください。実際のICの力率は関数かもしれません

• トポロジー：PFC回路には、バックまたはブーストのトポロジーがあります。バックブーストPFCを構築することもできますが、通常はACメイン電力を昇圧または降圧する必要があるため、一般的には使用されません。これらのICのブロック図は基本的に

• 変調周波数：力率補正ICは、入力電圧波形と同期してPFC回路に周期的に電流を引き込むために、スイッチングPWM信号を使用します。このスイッチング動作により、整流器段階から引き出される電流が滑らかになります。典型的な値は100 kHzの範囲です。一部のICは、下流のスイッチングレギュレータで使用するために、このPWM信号を出力として提供します。

• 導通モード：利用可能な導通モードには、連続導通モード（CCM）、臨界導通モード（CrCM）、および不連続導通モード（DCM）の3つがあります。これは、PWMまたはPFMのいずれかの変調方法に関連し、PWMがかなり一般的です。

市場で見つかる力率補正ICの例：

Analog Devices, LT1509

Analog DevicesのLT1509CSWは、PWMを使用して、調整されていない高電圧出力を絶縁された低電圧出力に変換します。デューティサイクルはトランスの飽和を防ぐために内部的に47％に制限されています。このコンポーネントは、最大の力率補正（99％の定格力率）を確保するために、PWM信号をPFCコントローラーセクションと内部的に同期させます。入力供給電圧は11.5から25Vで評価され、統合された基準電圧回路のおかげで7.5Vの定格出力があります。

LT1509の力率補正ICブロック図。 LT1509のデータシートより。

ON Semiconductor, NCL30030B3DR2G

ON SemiconductorのNCL30030B3DR2Gは、kWの電力を必要とするシステムで統合された力率補正と調整（準共振電流モードフライバックトポロジー）を提供します。この特定のコンポーネントはLEDバンクの駆動用に設計されましたが、高出力を必要とする他の用途にも使用できます。PFCステージはCrCMでほぼ1の力率値を低い高調波歪みで提供します。定格供給電圧は40から700Vで、210V/4Aの出力があります。

Texas Instruments, UC3854BDW

Texas InstrumentsのUC3854BDW力率補正ICはCCMで動作し、10から20Vの供給電圧（絶対最大22V）を受け入れます。このICには、スイッチングと平滑化のための内部7.5V基準を含む統合された200kHzのPWMオシレータが含まれています。出力は5V/1.2Aに降圧され、線電流歪みは3％未満です。このICは、16ピンPDIP、ワイドSOIC、CDIP、および20ピンPLCCパッケージでも利用可能です。

UC3854BDWの力率補正ICブロック図。 UC3854BDWのデータシートより。

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