Methoden zur Steigerung des Wirkungsgrads von Leistungsfaktorkorrektur-Schaltungen

Der Wirkungsgrad eines Netzteils sollte auch bei kleiner Last möglichst hoch sein. In diesem Beitrag erfahren Sie, wie das bei Netzteilen mit Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung geht.

Obwohl der Wirkungsgrad von Netzteilen mittlerweile deutlich verbessert wurde, konzentrieren sich die meisten Bemühungen darauf, die Effizienz bei mittlerer bis hoher Last zu steigern, obwohl gerade der Wirkungsgrad bei geringer Last mehr und mehr an Bedeutung gewinnt. Zum Beispiel verlangen die 80-Plus-Titanium-Effizienzstandards nicht nur 96% Wirkungsgrad bei 50% Last, sondern auch 94% Wirkungsgrad bei 20% Last und 90% Wirkungsgrad bei 10% Last.

Die Wahrung eines hohen Effizienzniveaus bei geringer Last ist bei den meisten elektronischen und elektrischen Geräten äußerst wichtig, da die digitalen Verbraucher den Großteil der Zeit im Leerlaufmodus verbringen. Server oder andere Anwendungen, die auf zuverlässige Stromversorgungen angewiesen sind, werden mit redundanten Stromversorgungen bestückt, die aus zwei (oder auch mehr) Einzelnetzteilen bestehen. Jedes Netzteil arbeitet deshalb während des Großteils der Zeit mit geringer Ausgangsleistung, weshalb der Wirkungsgrad bei niedriger Last sogar wichtiger ist als jener bei hoher Leistung.

In diesem Artikel geht es um die Steigerung des Light-Load-Wirkungsgrads bei einem Netzteil mit PFC-Frontend (Power Factor Correction; Leistungsfaktorkorrektur). Dieses nachfolgend als PFC-Stufe bezeichnete Frontend zwingt den Eingangsstrom, dem Verlauf der Eingangsspannung zu folgen, damit sich das elektronische System für das Netz wie eine rein ohmsche Last darstellt. Eine Leistungsfaktorkorrektur ist bei Netzteilen mit Leistungen von 75 W und mehr erforderlich.

Herabsetzung der Schaltfrequenz und Bulk-Spannung bei geringer Last

Die Verluste in einer PFC-Stufe setzen sich aus den Schaltverlusten, den Gatetreiberverlusten, den Leitungsverlusten, den Verlusten im Magnetkern und den Sperrverzögerungsverlusten der Diode zusammen. Die drei letztgenannten Komponenten hängen von den Werkstoffen der Leistungsstufe ab, während die Schalt- und Gatetreiberverluste proportional zur Schaltfrequenz sind, wie den Gleichungen 1 und 2 zu entnehmen ist:

P_{SW_LOSS} = 0,5 ^. V_OUT^. I_L^. (t_R+t_F) ^. f_S (1)

P_{GATE_LOSS} = Q_GATE^. V_GATE^.f_S (2)

Dabei steht f_S für die Schaltfrequenz, t_R für die Anstiegszeit und t_F für die Abfallzeit.

Durch Herabsetzen der Schaltfrequenz bei geringer Last lassen sich also die Schalt- und Gatetreiberverluste verringern, um den Wirkungsgrad zu verbessern.

Gleichung 1 zeigt ebenfalls, dass die Schaltverluste proportional zur Ausgangsspannung der PFC-Stufe sind. Durch Herabsetzen dieser Spannung lässt sich der Wirkungsgrad also ebenfalls steigern – auch der des sich anschließenden Gleichspannungswandlers. In einigen Fällen ist es möglich, die PFC-Stufe als Spannungsfolger zu konfigurieren, bei dem der Ausgang dem Eingang folgt. V_OUT ist also bei hoher Netzspannung hoch und geht bei niedriger Netzspannung zurück. Sie muss nur höher sein als der Scheitelwert der Eingangsspannung und muss innerhalb des zulässigen Bereichs des nachfolgenden DC/DC-Wandlers bleiben.

In Anwendungen, die eine bestimmte Netzausfall-Überbrückungszeit bieten müssen, ist die im Bulk-Kondensator gespeicherte Energie proportional zur Bulk-Spannung. Da ein Herabsetzen der Bulk-Spannung somit die Netzausfall-Überbrückungszeit verringert, kommt diese Maßnahme hier nicht in Frage.

Variieren der Schaltfrequenz innerhalb einer Netzspannungs-Halbwelle

Das Reduzieren der Schaltfrequenz bei geringer Last ist eine ebenso einfache wie effektive Möglichkeit, den Wirkungsgrad zu verbessern. Diese Maßnahme kann allerdings dazu führen, dass die PFC-Stufe in die lückende Betriebsart (Discontinuous Conduction Mode, DCM) gerät. In diesem Modus bricht die Bandbreite der Stromregelung drastisch ein, und der Spulenstrom folgt dem Referenzstrom nicht mehr besonders gut. Da der Strom diskontinuierlich ist, gibt eine Signalprobe – ganz gleich, an welcher Stelle der Schaltperiode sie genommen wird – nicht mehr den durchschnittlichen Strom wieder. Wird sie als Stromrückmeldesignal in einer durchschnittsstromgeregelten PFC-Stufe verwendet, hat der Eingangsstrom der PFC-Stufe die Form einer verzerrten Sinuswelle. Überdies kann der lückende Betrieb zu Stromspitzen führen [1] und den Oberschwingungsgehalt (Total Harmonic Distortion, THD) beeinflussen.

Um den Wirkungsgrad ohne Übergang in den lückenden Betrieb zu verbessern, kommt ein Frequenz-Dithering-Verfahren in Betracht. Beim Reduzieren der Schaltfrequenz wird zuerst im Bereich um den Nulldurchgang der Wechselspannung in den lückenden Betrieb gewechselt, während dies im Bereich um die Scheitel der Wechselspannung zuletzt erfolgt. Man lässt die PFC-Stufe deshalb bei den Nulldurchgängen mit ihrer nominellen Schaltfrequenz arbeiten und senkt die Schaltfrequenz anschließend langsam ab, bis die Netzspannung ihren Scheitelwert erreicht, um sie danach wieder zu erhöhen, bis sie beim Nulldurchgang der Netzfrequenz wieder ihren Nennwert erreicht.

In Bild 1 ist der Verlauf der Schaltfrequenz über eine Halbwelle der Netzfrequenz zu erkennen. Die Mindestschaltfrequenz wird so gewählt, dass die PFC-Stufe den nicht-lückenden Betrieb (Continuous Conduction Mode, CCM) nicht verlässt. Die niedrigere Schaltfrequenz mindert die Schalt- und Gatetreiberverluste und verbessert damit den Wirkungsgrad. Da die PFC-Stufe stets im nicht-lückenden Betrieb arbeitet, bleiben die DCM-bedingten Oberschwingungsprobleme aus.

Das hier beschriebene Frequenz-Dithering darf nicht mit dem weithin angewandten Spread-Spectrum-Verfahren zum Eindämmen der elektromagnetischen Störaussendungen verwechselt werden, bei dem die Schaltfrequenz um einen Nennwert herum schwankt. Da die durchschnittliche Schaltfrequenz hier unverändert bleibt, stellt sich keine Anhebung des durchschnittlichen Wirkungsgrads ein.

Multimode-Regelung mit Schalten im Spannungs-Nulldurchgang

Bei geringer Last kann eine eigentlich im CCM-Betrieb arbeitende PFC-Schaltung in den DCM-Betrieb wechseln. Wenn der MOSFET im DCM-Betrieb abschaltet, beginnt der Strom in der Boost-Induktivität abzufallen. Wird dieser Strom null, bildet die Boost-Induktivität einen Schwingkreis mit der parasitären Kapazität des PFC-MOSFETs. Ist die momentane Netzwechselspannung geringer als die Hälfte der PFC-Ausgangsspannung, kann die Drain-Source-Spannung des MOSFETs resonanzbedingt auf 0 V zurückgehen und von der Body-Diode des MOSFETs geklemmt werden. Durch Einschalten des MOSFETs in diesem Augenblick erreicht man ein Schalten im Spannungs-Nulldurchgang (Zero-Voltage Switching, ZVS), wie es in Bild 2 gezeigt ist.

Da der MOSFET einschaltet, wenn der Strom in der Induktivität auf null zurückgeht, arbeitet die PFC-Stufe so, als befände sie sich im „Critical Conduction Mode“ (CrM). Die Schaltfrequenz ist hierbei nicht mehr konstant, sondern steigt an. Der ZVS-Betrieb senkt die Schaltverluste erheblich und verbessert den Wirkungsgrad.

Der ZVS-Betrieb ist bei geringer Netzspannung möglich. Wenn dagegen bei hoher Netzspannung die momentane Wechselspannung höher als die Hälfte der PFC-Ausgangsspannung ist, kann der VDS-Wert des MOSFETs niemals resonanzbedingt auf 0 V fallen, sodass kein ZVS-Betrieb möglich ist. In diesem Fall kann der MOSFET jedoch so gesteuert werden, dass er zumindest im Minimum von VDS einschaltet (Valley Switching). Dieses Valley Switching erzeugt geringere Schaltverluste als das harte Schalten und leistet somit ebenfalls einen Beitrag zur Effizienzsteigerung. Steigt die Last anschließend wieder auf ein mittleres bis hohes Niveau an, geht die PFC-Stufe in den CCM-Betrieb mit konstanter Schaltfrequenz über. Diese Regelungsmethode wird als Multimode-Regelung bezeichnet [1].

Wenn die PFC-Stufe nach dem Totem-Pole-Prinzip aufgebaut ist, kann die ZVS-CrM-Regelung auf den gesamten Eingangsspannungsbereich ausgeweitet werden. Ist die momentane Netzwechselspannung kleiner als die Hälfte der PFC-Ausgangsspannung, wird, wie gerade beschrieben, von selbst im Spannungs-Nulldurchgang geschaltet. Wenn aber die momentane AC-Spannung größer als die halbe PFC-Ausgangsspannung ist, wird die Einschaltzeit des synchronen Schalters um eine kurze Zeitspanne hinausgezögert, nachdem der Strom in der Induktivität auf null zurückgegangen ist, sodass in der Induktivität ein geringer negativer Strom entsteht. Wenn der synchrone Schalter nun abschaltet, geht die Spannung am Schaltknoten wegen dieses negativen Stroms auf null zurück, und durch Einschalten des Hauptschalters in diesem Moment wird im Spannungs-Nulldurchgang geschaltet [2].

Abschalten der PFC-Stufe im Nulldurchgangs-Bereich der Netzwechselspannung

Der Strom einer gut geregelten PFC-Stufe hat einen sinusförmigen Verlauf. Die Amplitude dieses Stroms ist im Bereich des AC-Nulldurchgangs sehr gering, weshalb in diesem Bereich nur sehr wenig Leistung an die Last abgegeben wird. Ein Deaktivieren der PFC-Funktion in dieser Region wirkt sich nur sehr geringfügig auf die Leistungsabgabe der PFC-Stufe aus, sodass sich die Welligkeit der Bulk-Spannung kaum verändert. Trotz der geringen Leistungsabgabe in diesem Bereich bleiben die Schalt- und Gatetreiberverluste aber bestehen, sodass sich ein Einschalten der PFC-Stufe nicht lohnt.

Zur Anhebung des Wirkungsgrads bei niedriger Last sollte die PFC-Stufe also im Bereich der Nulldurchgänge der AC-Netzspannung deaktiviert werden. Der Strom hat dann den in Bild 3 gezeigten Verlauf. Je größer der AC-Nulldurchgangsbereich ist, in dem die PFC-Stufe abgeschaltet wird, um so größer ist der erreichbare Wirkungsgrad.

Bild 3 lässt den flachen Verlauf im Bereich der AC-Nulldurchgänge erkennen, der sich auf den Oberschwingungsgehalt auswirkt. Da aber der Großteil der Welle nach wie vor sinusförmig ist, ergibt sich kein allzu ungünstiger Oberschwingungsgehalt. Effektiv ist diese Methode daher für Anwendungen, in denen die Oberschwingungen bei geringer Last eher unkritisch sind oder in denen große Spielräume bestehen. Je größer diese Spielräume hinsichtlich des Oberschwingungsgehalts sind, umso länger ist die Zeitspanne, in der die PFC-Stufe abgeschaltet werden kann, und umso höher ist der erreichbare Wirkungsgrad.

Phase Shedding bei mehrphasigen PFC-Systemen

Eine sehr bekannte Methode zur Senkung des Stromverbrauchs mehrphasiger PFC-Systeme ist das so genannte Phase Shedding. Der Hintergrund ist, dass bei geringer Last nicht alle Phasen in Betrieb sein müssen, sondern dass der Verbraucher auch nach Abschaltung einer Phase mit genügend Leistung versorgt werden kann. Da in der deaktivierten Phase somit keine Schalt- und Treiberverluste anfallen, arbeitet das System insgesamt effizienter.

Alternative Betriebsart für redundante Stromversorgungssysteme

In einem redundanten Stromversorgungssystem arbeiten mehrere Einheiten parallel, um den Verbraucher mit Strom zu versorgen. Dabei übernimmt jede Einheit einen Teil der Gesamtlast. Bild 4 zeigt ein 1+1-redundantes System, in dem jede Stromversorgung den Verbraucher auch allein versorgen kann. Beim Ausfall einer Einheit muss also die andere die gesamte Leistung liefern. Das Umschalten sollte zudem übergangslos erfolgen, damit die normale Funktion des Verbrauchers nicht beeinträchtigt wird. Da somit stets beide Einheiten aktiv sein müssen, kommt das Phase Shedding hier nicht in Frage.

Das Konzept, beide Einheiten ständig eingeschaltet zu lassen, lässt sich jedoch auch anders umsetzen. Jede Stromversorgungseinheit besteht aus einer PFC-Stufe und einem Gleichspannungswandler. Wenn beide Einheiten stets eingeschaltet bleiben sollen, müssen zwar die Gleichspannungswandler ununterbrochen aktiv sein, nicht aber die PFC-Stufen. Die PFC-Abschnitte können vielmehr zeitweilig abgeschaltet werden, solange die Bulk-Spannung nicht den Brownout-Schutz des Gleichspannungswandlers auslöst. Für redundante Stromversorgungssysteme bietet sich somit bei geringer Last eine alternative Betriebsart an.

Unter der Annahme, dass die redundante Stromversorgung nach dem 1+1-Prinzip aufgebaut ist, wird bei geringer Last die PFC-Stufe der ersten Stromversorgungseinheit nur während der positiven Netzhalbwellen eingeschaltet, während die der zweiten Einheit nur bei den negativen Halbwellen aktiv ist (siehe Bild 5). Unabhängig von der Höhe der Last sind beide Gleichspannungswandler stets eingeschaltet. Da aber die PFC-Stufen nur bei einer der beiden AC-Halbwellen aktiv sind, halbieren sich deren Schalt- und Treiberverluste, sodass sich der Wirkungsgrad verbessert. Obwohl der Eingangsstrom einer jeden Einheit nur eine halbe Sinuswelle ist, bleibt der Gesamteingangsstrom sinusförmig, sodass der Oberschwingungsgehalt nicht beeinträchtigt wird.

Diese Methode lässt sich auf n+n-redundante Stromversorgungssysteme ausweiten. Man schaltet dabei die PFC-Stufen von N Einheiten nur während der positiven Netzhalbwellen ein, die PFC-Stufen der übrigen N Stufen dagegen während der negativen Halbwellen, während die Gleichspannungswandler aller Einheit dauerhaft aktiv sind. Der Eingangsstrom insgesamt hat nach wie vor einen sinusförmigen Verlauf mit betragsmäßig identischen Amplituden während der positiven und negativen Halbwellen.

Burst-Modus

Arbeitet eine PFC-Stufe mit extrem geringer Last oder befindet sie sich im Standby-Modus, ist ein geringer Oberschwingungsgehalt normalerweise nicht gefordert. Zum Anheben des Wirkungsgrads kann die PFC-Stufe hier also im Burst-Modus arbeiten und immer nur für kurze Zeitspannen aktiv sein. Wegen der sehr geringen Last wird die Welligkeit der Bulk-Spannung durch das abwechselnde Ein- und Ausschalten nicht wesentlich erhöht, sodass der Betrieb des nachfolgenden Gleichspannungswandlers nicht beeinträchtigt wird. Unter den verschiedenen Burst-Methoden sorgt das Überspringen von AC-Zyklen (AC Cycle Skipping) [3] nicht nur für mehr Effizienz, sondern hält während der Bursts auch einen geringen Oberschwingungsgehalt und einen günstigen Leistungsfaktor aufrecht.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 14/2020 (Download PDF)

Zusammenfassung

Der Wirkungsgrad von PFC-Stufen bei geringer Last lässt sich mit den Methoden, die in diesem Artikel beschrieben wurden, verbessern. Dabei können die Methoden auch kombiniert werden, um einen noch größeren Wirkungsgradgewinn zu erzielen. Einfach implementieren lassen sich die beschrieben Verfahren mit einem digitalen Controller wie dem UCD3138 von Texas Instruments, jedoch sind viele der Methoden auch in analoge PFC-Controller integrierbar.

Literaturnachweise:

[1] Bosheng Sun und Zhong Ye: „PFC THD Reduction and Efficiency Improvement by ZVS or Valley Switching”, TI Application Report (SLUA644), April 2012.

[2] Bin Su, Junming Zhang und Zhengyu Lu: „Totem-Pole Boost Bridgeless PFC Rectifier with Simple Zero-Current Detection and Full-Range ZVS Operating at the Boundary of DCM/CCM”, IEEE Transactions on Power Electronics 26(2): Februar 2011.

[3] Bosheng Sun: „AC cycle skipping improves PFC light-load efficiency”, TI Analog Applications Journal (SLYT585), 3. Quartal 2014.

* Bosheng Sun ist Applications Engineer bei Texas Instruments in Dallas, Texas.

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