AND8355/D インタリーブ型PFCステージの特 性

AND8355/D

インタリーブPFCステージの

インタリーブPFCは、ノートPC アダ プタやテレビなど、フォーム・ファクタのし いでにがんでいるしいソリューショ ンの1つです。アプリケーション・ノートでは、

200 WをえるいACラインに !よく

"#する、2つの($%&クランプされた)'()*モ ードPFCステージのインタリーブ,-について./

します。0)*モード(CCM) PFCステージ12を インタリーブすることもできますが、これは3 4(1 kW56)ですので78は9しく:;しませ ん。アプリケーション・ノートの<な=>は、イン タリーブPFCの<な?と@AをBすことです。

に、2つのインタリーブ・ステージのCDをずら したEFでGHさせたときのIリプルKL Mと

、パワー・コンポーネントのサイズをOめるときの PQRSにTAをUてています。アプリケーショ ン・ノートのVWXYは、NCP1631EVB[1]にZ[

されるACコンセントの\>な300 W8]の

\^データによく_`しています。

はじめにインタリーブとは、きなステージを1つする わりにさなステージを2つすること で、がよりになるもあります。、

2つの150 W PFCステージをみわせて､300 Wの PFCプリレギュレータをできます。このに は、がであること、 は!えるが"

が#えること、$%&が'になることなど、

いくつかの()があります。

また、*+,でコスト*/のい01である2 3モード(CrM)(6t_rrダイオードが9)の:

;もインタリーブによって<します。さらに、

NCP1631EVB[1]でべているように、=> クラン プ23モード(FCCrM)でABさせたときはCに

*+がDEします(90 V_rms、300 WFの、Gい

;で95%HE)。

また、2つのステージのIJをずらしてABさせた は、Kリプルがしく6Mされます。Cに、

N:Kが3モード(CCM)のKのようにな るので、バルク・コンデンサSの*TKがU にMVします。

1 2 3

4 5

8

6 7

1 2 3

4 5

8

6 7 1

2 3

4 5

8

6 7

1 2 3

4 5

8

6 7 1

2 3

4 5

8

6 7

1 2 3

4 5

8

6 7

AC Line

EMI Filter

I_in(t)

V_in(t) I_L2

I_L1

I_D2 I_D1

I_L(tot)

I_D(tot)

V_out

C_bulk +

LOAD NCP1601

NCP1601

APPLICATION NOTE

www.onsemi.jp

な

CrMまたはFCCrMのインタリーブPFCのWXには きなYがあります。2つのブランチのIJをず らした[\で、CrMまたはFCCrMで]のブランチ をABさせるにはどうすればよいのでしょうか? これがしいのは、スイッチング=> がおよ びACライン`によってaAするためです。これは

CrMでもFCCrMでも、コイルがbcにdeされるま

で、さらにはバレーがfgされるhまで､MOSFET がターン・オンできないことがあるためです。それ により、iIJがそれぞれのビートをkみ、lmに nいにloしたままになってしまいます。

pなqが2つあります。

•

マスタ/スレーブ0：マスタsのブランチはt にABし、それにuじてスレーブsブランチのI JがずれるようにWXする。は、CCMに Nらず9なデッドタイムがgしないですむよ うに、スレーブsブランチをAすることです。

Fにwのようなx)があるときに、マスタsと lじスイッチング=oでスレーブsをABさせる のさをyにFigure 2にzしました。

♦ Kモードで、インダクタのTが{っていない は、スレーブsがCrMABをしなくなるお それがある(Figure 2a|})。

♦ 2つのブランチのオンmがわずかに~なる。

`モードWXでもlじようなYがきるこ とがある(Figure 2b|})。

•

インタラクティブIJ0：2つのブランチを

々にABさせる。そのため、CrMでもFCCrM でも]ステージのIJは€しくABします。ただ し、]のブランチがBしって、 ‚に180° ずれたIJでABします。Figure 3に、`モード

・ソリューションで†‡しなければならないY の1つ「ˆのブランチの‰3mにŠれがある とIJのずれが!‹できなくなる」をzします。

"#については[4]を|}してください。この$Œ

では、E%2つの0におけるな)をŽ,に

%しています。Hの&‘では、IJずれのAB がb’であることを“”にしています。

Figure 2. Possible Issues in a Master/Slave Approach b. Voltage Mode with On-Time Shift

Phase 1 Phase 2 a. Current Mode with Unbalanced Coils

L₂ < L₁

T_SW 2

T_SW 2

T_SW 2

T_SW 2

T_SW 2

T_SW 2

Figure 3. Possible Issues in the Independent Phases Approach On-time Perturbation for One Phase

T_SW 2

T_SW 2

T_SW 2

インタリーブPFCのな リプルが#$：

TIME (s)

(A)

Figure 4. The Total Current Exhibits a Reduced Ripple I_L1

I_L2 I_L(tot)

iブランチSのコイルKはリプルがきい(CrM

AB)が、IJずれABにするとFigure 4にzすとお り､PFCステージにKが•き'まれるため、Kc

–のリプルは(—にさくなります。

Figure 5. Current Shape

Current Shape When

ǒ

^VinvV2^out

Ǔ

Current Shape When

ǒ

^VinwV2^out

Ǔ

Kリプルを)するには、Figure 5にzすとお り、Kのc–>˜がN:`レベルにuじて~な ることにš›しなければなりません。

•

^Vin≤(V_out/2)の、どちらのブランチも50%*の デューティ・サイクルでABします。そのため、

]のIJのオンmが+なります。

•

^Vin≥ (Vout/2)の、デューティ・サイクルは50%

œです。スイッチング=oSでžも,いmを

Ÿめるのがdeフェーズです。どちらのIJもオ フmが+なります。

このような-いがあるため、Kを)する にはE%2つのケースを々にf.する£があり ます。この2つのケースごとに、「]ブランチとも

MOSFETがオンになっているo」「]ブランチと

もdeフェーズにNっているo」「ˆのブラン

チがdeoにNっていて、¤のブランチの

MOSFETが/じているo」という3つのoを‘¥

にしたうえで、ioごとに]ブランチのKを¦

)すれば、c–のKが§まります。

この)によってwのことがわかります。

•

Kはどちらかのブランチがdeフェーズに Nるとピークを0える。

•

Kは、どちらかのブランチが©たなオンm にNるhにžになる。

よりª–,には、この)によって「cN:

K」「N:Kのリプル」「iピークTをつないだ ピークK«12」「バレーTをzすバレーK«

12」が§まるということです。

Figure 6に、それぞれのきさを(Vin/Vout)の3 と してzします。

V_in(t)vV_out

2 V_in(t)wV_out

2 Average Input Current

(Line Current) I_in(t)+

ǒ

^I_L(tot)

Ǔ

^T_SW+V_in

R_in+

V_in@P_in(avg) V_in(rms)² Peak-to-Peak Ripple

ǒ

DI_L(tot)

Ǔ

PP+I_in@

ǒ

^1*V_out^V*ⁱⁿV_in

Ǔ ^ǒ

^DIL(tot)

^Ǔ

PP+I_in@

ǒ

^2*VV^out_in

Ǔ

Peak Current Envelop

ǒ

^I_L(tot)

Ǔ

pk+2@I_in@

ǒ

^1*4@ǒV^V_out^out*V_inǓ

Ǔ ^ǒ

^IL(tot)

^Ǔ

^pk+2@Iin@

^ǒ

^1*4V@^outV_in

Ǔ

Valley Current Envelop

ǒ

^I_L(tot)

Ǔ

V+I_in@ V_out

2@ǒV_out*V_inǓ

ǒ

^I_L(tot)

Ǔ

V+

P_in(avg)@V_out 2@V_in(rms)² Figure 6. Input Current Magnitude and Ripple

Figure 7に、N:Kのリプルが(V_in/V_out)の3 と してa¬する­®をzします。リプルのピーク・ツ ー・ピークTはqして100% (±50%)を*えないこと が%かります。このTがžになるのは、(Vin = 0)

のときと、N:;の42である(V_in = V_out)のとき です。N:`がこのような]°5から6れて、

(V_in= (V_out/2))になったときに、リプルはすべてJ±

されてゼロになります。

Figure 7. Input Current Ripple as a Function

ǒ

V^V_outⁱⁿ

Ǔ

0 20 40 60 80

0 0.25 0.5 0.75 1

Pk to pk ripple (%)

Ripple is 0 at V

_in

= V

out

/ 2

100 120

Ripple is 0 at V_in = V_out/2

ǒ

DI_L(tot)

Ǔ

PP

I_in (%) vs

ǒ

V^V_outⁱⁿ

Ǔ

V_in/V_out

Figure 8およびFigure 9は、ACライン`が6い といのそれぞれのN:Kをzします。

ACライン`が6いはリプルがさいため、

N:KはCCM PFCのKのように7えます。AC

ライン`が90 V_rmsの、´2のピーク %で は、リプルKは±28%の;Sにあります。

しかしFigure 7の8にzすµから%かるように、

Hの2つの¶·で9えば、にはリプルKは

CCM PFCステージのように¸る:うことはありませ

ん。

•

リプルKは;¹したインダクタにº»しない。

•

リプルKはにº»しない。

ACライン`のいほうが、K«12はVしだ け¼んでいるように7えます。それでもリプルK はW4されたままです。

Figure 8. Typical Input Current at Low Line

Figure 9. Typical Input Current at High Line Peak, averaged and valley current @ 230 Vrms, 320 W input

(Vout = 390 V)

time as a percentage of a period (%) Peak, valley and averaged Input Current (A)

3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0

0 25 50 75 100

I_in(t)

No Ripple When V_in = V_out / 2

P_in(avg)@V_out 2@V_in(rms)² + V_out

2@R in Peak, averaged and valley current @ 90 Vrms, 320 W input

(Vout = 390 V)

time as a percentage of a period (%) Peak, valley and averaged Input Current (A)

0 25 50 75 100

7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0

I_in(t)

Envelop for the Peak Currents

Envelop for the Valley Currents

バルク・コンデンサとに, されるのリプルが 0に$さくなる：

Figure 10は、i½PFCコンバータで¾られるリフ ューエリングK(š1)をÀ<したÁです。

3モードPFCでは、わずかなリプルをÂむ ÃĘ>Kがブースト・ダイオードをKれま す。このリプルをÅ=した、ブースト・ダイオ ードKのžTは(I_in)、すなわちhmラインK です。23モードでは、リフューエリングK

>˜は、コイルKのようにピークTが(2⋅I_in)のÆ

>>です。インタリーブ"PFCでは、iブランチか

ら:のÇ%ずつがÈ?されます(Kバランシ ングがb’であるとÉÊ)。したがって、iブランチ のコイルKのピークTは

ǒ

^2@

^ǒ

^I2in

^Ǔ Ǔ

(I_in)です。

Figure 5にzすとおり、ACライン`の6いほう

でABさせると、2つのブランチのリフューエリン グKはIJが+なりません。IJに180°のずれが あるからです。より€¥に9うと、これに@Ëする のはÌÍがžもÎしいとき

ǒ

^VvV2^out

Ǔ

^です。

Figure 10. Shape and Magnitude of the Refueling Current

Phase 1 Phase 2

Single phase CCM Single phase CrM Interleaved FCCrM or CrM

I_in@ V_in V_out

Ǹ

rms Value over T_sw

rms Value over T_sw

rms Value over T_sw

2 Ǹ3@I_in

V_in V_out

Ǹ Ǹ

²3@I_in V_in V_out

Ǹ

2 ⋅ I_in

I_in I_in

I_in

2

√3

2

√

3

E%のCÏをFigure 10にまとめました。KИ

のA/として、1スイッチング=oにわたって) される「*TK」((I_RMS)_Tsw)がÑえられます。

((I_RMS)_Tsw)は、ÒBとなるスイッチング=oにÓÔ をKれるリフューエリングKとlじエネルギーを dCするDÖDCKであると7なす£がありま す。ACライン=o1Fにわたる*TKを§める には、そのoに((IRMS)Tsw)の2×をØÙし、その A/のØÚを)しなければなりません。9いÛ えると、リフューエリングKが1 WÓÔでdCす

る:を)して、lじ1 WのÓÔでlじÜ ÝをもたらすDCKをÞÊするということです (AND8123JP/Dに"されているを|})。

このを#すれば、3つのケースでリフューエ リングKがyに)できるうえ、ÓÔÏま たはÊKのにコンデンサKの*Tを ÞÊできます。

ˆEµをFigure 11にzします。ライン`;が

300 Wアプリケーションをするための,な

Tもzしてあります。

Single Phase CCM PFC Single Phase CrM or FCCrm PFC Interleaved CrM or FCCrM PFC Diodes(s) rms

Current

(I_D(rms)) 8 2Ǹ @

ǒ

^Pouth

Ǔ

²

3p@V_in(rms)@V_out

Ǹ

Ǹ²₃@

8 2Ǹ @

ǒ

^Pouth

Ǔ

²

3p@V_in(rms)@V_out

Ǹ Ǹ

²3^{@ 8 2Ǹ @}

ǒ

^Pouth

Ǔ

²

3p@V_in(rms)@V_out

Ǹ

Capacitor rms Current

(I_C(rms)) 8 2Ǹ

ǒ

^Pouth

Ǔ

²

3p@V_in(rms)@V_out*

ǒ

^PV^out_out

Ǔ

²

Ǹ Ǹ

^{9p32 2@VǸ}in(rms)

^ǒ

^Pouth@

^Ǔ

V²_out*

ǒ

^PV^out_out

Ǔ

²

Ǹ

⁹p^{16 2}@V^Ǹ_in(rms)

^ǒ

^Pouth@

^Ǔ

V²_out*

ǒ

^PV^out_out

Ǔ

²

300 W, V_out = 390 V, V_in(rms) = 90 V

I_D(rms)+1.9 A I_C(rms)+1.7 A

I_D(rms)+2.2 A I_C(rms)+2.1 A

ID(tot)(rms)+1.5 A I_C(rms)+1.3 A Figure 11. Comparison of the Refueling and Capacitor Currents

の23

このセクションではインタリーブ"PFCのに ついては"していません。)をいくつかzすに とどめます。"#については、NCP1631(インタリー ブ"PFCステージにž ¬されたコントローラ)で Aする300 Wのライン`;がGいアプリケーシ ョンをàりEげている[5]を|}してください。[6]で

も、NCP1601コントローラを2á#したディスクリ

ート・ソリューションについてべています。

ブランチごとのブースト・インダクタの

ブースト・インダクタはÇ%の:でしなけ ればなりません。lじ:をâãのCrM PFCでÈ?

しなければならないにÀべると、ピークKは Ç%です。ˆ、CrMでは、スイッチング=>

は、:、インダクタ、N:`、g:`でqま るKサイクルmにäåæされます。Kの きさがÇ%の、lじスイッチング=> ;を

!‹するには、コイル・インダクタンスをçにしな ければなりません。

これをまとめると、wのようになります。

•

^L1 = L₂ = 2⋅L_CrM

•

^Ipk1 = Ipk1 = Ipk(CrM) / 2

ここで、

•

^L1およびL₂はiブランチのインダクタ、L_CrMはl じ:をÈ?するâãのCrM PFCステージの インダクタ

•

^Ipk1およびI_pk2はiブランチのピークK、I_pk(CrM) はlじ:をÈ?するâãのCrM PFCステー ジのピークK

コアのサイズをqめるまかなèéとして(L⋅I_pk²) を#すると、wのようになります。

(eq. 1) L₁@I_pk1²+L₂@I_pk2²+L_CrM@I_CrM²

2

žêに、c–の:がlじ、インタリーブ"

PFCステージには、âãのCrM PFCステージに#

されるÇ%のサイズのコアが2á£になります。

したがって、]のソリューションとも、£なコ ア・サイズはc–で7ればほぼlじということで す。

パワーMOSFET

CrM PFCステージの‰3ÜÝはwµでÑえられま

す。

P_M(CrM)(on)+4

3@R_DS(on)@

ǒ

^Pouth

Ǔ

²

V_in(rms)²@

ǒ

^{1*8@3Ǹ @}@²p@^VV^in(rms)_out

Ǔ

^{(eq. 2)}

したがって、インタリーブ"PFCのiブランチに おけるÜÝは、]ブランチのバランスがb’とÉÊ すれば、wµのようになります。

P_M1(on)+P_M2(on)+4

3@R_DS(on)@

ǒ

^P2out@h

Ǔ

²

V_in(rms)²@

ǒ

^{1*8@3Ǹ @}@²p@^VV^in(rms)_out

Ǔ

^{(eq. 3)}

このµはwのようにÐëできます。

P_M1(on)+P_M2(on)+1

3@R_DS(on)@

ǒ

^Pouth

Ǔ

²

V_in(rms)²@

ǒ

^{1*8@3Ǹ @}@²p@^VV^in(rms)_out

Ǔ

^{+PM(CrM)(on)4 (eq. 4)}

したがってÜÝはwのとおりです。

P_M1(on))P_M2(on)+P_M(CrM)(on) 2

(eq. 5)

これから、インタリーブ"PFCステージのiブラ ンチがâãのCrM PFCステージとlじMOSFETを#

する、‰3ÜÝはÇ%になります。

は、âãのCrM PFCステージに#されるス イッチよりもさなMOSFETをiブランチに#す ることがìいとFえられます。íえば、300 Wアプ リケーションの、ブランチごとにSPP11N60

á#することができます｡これによりc–の‰3 ÜÝがlじになります。

スイッチングÜÝはîïが(—にです。

âãのPFCとインタリーブ"PFCのどちらを#す るでも、lじ`ストレスでスイッチング・

イベントがðñします。インタリーブ"PFCは、

IJごとのKはÇ%ですが、ブランチを2つFò

l­にóえることができます。したがって、Hの ことが9えます。

•

lじMOSFETを#する(âãのPFCを1á、

インタリーブ"PFCをブランチごとに1áずつ)は、

どちらもc–のスイッチングÜÝはlじになる。

•

iブランチにさなMOSFETを#した、

ôñHがさくなり、IõJöがくなるた め、スイッチングÜÝがMVするはずである。

ブースト・ダイオード

インタリーブ"PFCには、ブースト・ダイオード が2á(iブランチに1áずつ)£です。しかしCrM

またはFCCrMで#するときには、÷ましいKFø

のYはありません。§められるのは、€しい`

Êù(V_out(max)+マージン)をたしていること、およ

びLD`Mが6いことだけです。Kúûが b’とÉÊすれば、ØÙダイオードKはK のÇ%です

ǒ

^{Id1+Id2+Id(total)}2 + P_out

2@V_out^0.39 A

Ǔ

^。

したがって、ÜÝはダイオード1áËたりちょうど

ǒ

^{Id(total)2@Vf}

Ǔ

です。どちらのIJでも、ブースト・

ダイオードにKれるピークKは、Òuするインダ クタのピークKとlじになります。

まとめ8は、300 Wのライン`;がGいアプリケ

ーションをÒBに、インタリーブ"PFCとâãの FCCrM PFCおよびCCM PFCのpなCÏをÀ<したも のです。

3

FCCrMは、=> クランプのためにCrMよりも

さなコイルを#できます。CrMは、スイッチング

=> をNレベルにW4する01として、À<, きなインダクタンスを#する£があります。

したがって、8がû*なのはâãのFCCrM PFCと インタリーブ"FCCrM PFCだけです。

ˆOÏを‹たせるため、CCMコイルは、6いライ ン`およびcにおいて、N:リプルがインタ リーブ"PFCとlじになるものを;¹しています。

ü$Œではインタリーブ"PFCµのýをべ ています。このモジュールµでは$%þがで す。 ) は!えても サイズがさくてすむ ので、P"が£なときにはCにQ:,と9え ます。"#については、Hの|F$Œを|}して ください。Cに、[1]および[2]は、*+Rから7たÏ Sデータがzしてあるため+です。

>?

[1] Stephanie Conseil, “Performance of a 300-W Interleaved PFC driven by the NCP1631”, Evaluation Board Manual NCP1631EVB, www.onsemi.com.

[2] Joel Turchi,

“NCP1631でAするインタリーブPFCの6:

*+をさらに改善する”, Application Note AND8456JP/D, www.onsemi.jp.

[3] Joel Turchi, “Performance of a 300 W, wide mains interleaved PFC driven by the NCP1601”,

Application Note AND8356/D, www.onsemi.com.

[4] L. Huber, B. T. Irving and M. M. Jovanovic,

“Open-Loop Control Methods for Interleaved DCM/CCM Boundary Boost PFC Converters”, IEEE trans. Power Electron., vol. 23, no. 4, pp 1649-1657, July 2008.

[5] Joel Turchi,

“NCP1631でAするインタリーブ"PFCステー ジmのpな0L”, Application Note AND8407JP/D, www.onsemi.jp.

[6] Joel Turchi, “Designing a high efficiency, 300 W, wide mains interleaved PFC driven by the NCP1601”, Application Note AND8354/D, www.onsemi.com.

ON SemiconductorびON SemiconductorのロゴはON SemiconductorというをうSemiconductor Components Industries, LLC しくはその のび/またはの におけるです。ON Semiconductorは、、、トレードシークレット()との に!する"を# します。ON Semiconductorの$%/ の&'!(リストについては、*+のリンクからご-いただけます。www.onsemi.com/site/pdf/Patent−Marking.pdf. ON Semiconductorは./なしで、0123の$%の45を 6うことがあります。ON Semiconductorは、いかなる7の8での$%の&9:について#;しておらず、また、お<=の$%において>?の@'や'からAじたBC、

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€‚や、いかなるFDA (ƒ%„…%†)クラス3の„‡ˆ‰、FDAがŠ‹しないŒにおいてŽKもしくはのものとyされる„‡ˆ‰、あるいは、‘’への“”を!(

としたˆ‰における•]–%などへの'を—˜した™šはされておらず、また、これらを'!(としておりません。お<=が、このような—˜されたものではない、fさ れていないアプリケーション'にON Semiconductor$%を›œまたは'した9、たとえ、ON Semiconductorがその–%の™šまたは$žにŸしてp があったと¡¢され たとしても、そのような—˜せぬ'、また£fの'にŸ¤した¥¦§から、DE、¨はFEにAじるすべてのクレーム、ª'、IJ、oª、および«¬­®などを、

お<=のBCにおいて¯°をお{いいたします。また、ON Semiconductorとその±²、³²、 、Ÿ¤ 、´µ¶に!して、いかなるIJも·えないものとします。

ON Semiconductorは¸'ˆ ¹§/º»¼½¸'¡です。この¾®は&'されるあらゆるWの!(となっており、いかなる¿WによってもÀÁすることはできません。