遷移モードPFCの基板設計

UCC28056による遷移モードPFCの基板設計をまとめておきます。

主要部品としては、

PFCコントローラ:

UCC28056B

PFC-Choke:

760805410/760804310

MOSFET:

IPAN60R210PFD7S

Diode:

STTH5L06FP

Buck Converer IC:

LNK3294P

を想定しています。

ZCDは補助巻線から行い、

補助電源は降圧コンバータを利用します。

Eagleの回路図です。

Eagleの配線図です。

PFC-Chokeはどちらでもさせるようにしました。

Eagleの基板上面のパターンです。

大電流が流れるところをポリゴンにしています。

Eagleの基板下面のパターンです。

大電流が流れるところと基準電位になるところをポリゴンにしています。

遷移モードPFCの回路設計

UCC28056による遷移モードPFCの回路設計をまとめておきます。

 

特徴としては、

CrM(臨界モード)とDCM(不連続導通モード)に

バレースイッチングが組み合わせれているようです。

 

ディバイスとしては、機能の違いや組み合わせで、4種類あるようです。

UCC28056X Selection Guide

 

ZCDをMOSFETのオン抵抗で行う以外に、

PFC Chokeの補助巻線で行う方法もあるようです。

UCC28056x, Using Auxiliary Winding Voltage for Driving ZCD/CSPin

 

回路設計はユーザーガイドなどを参考に、

UCC28056 BEVM-296 Evaluation Module

PFCLLCSREVM034 User Guide

計算ツールで回路定数を決められます。

UCC28056x Design Calculator (Rev. B)

 

トランスの補助巻線による電源供給その2

トランスの補助巻線による電源供給について補足です。

 

100-W Universal Line Input PFCBoost Converter Using theUCC38050

では、補助巻線の出力をC7:100 uF, R10: 220 Ohm 1W, C6: 100 uFでフィルターしています。

SLUU134B-sch

2次CRローパス・フィルタ数計算ツール

を用いて、

250m Ohm, 100uF, 220 Ohm 100uFで計算してみると、

fc=214Hz, -80dB@20kHzとなることがわかります。

2nd-Order-CR

比較のために、

CRローパス・フィルタ数計算ツール

を用いて、

250m Ohm, 220uFで計算してみると、

fc=2894Hz, -20dB@30kHzとなることがわかります。

1st-Order-CR

LTspiceによるシミュレーションでも、

容易に確認できますが、

補助巻線の周波数が100kHzと高いため、

平滑コンデンサの分割(Split Reservoir Capacitor)による

フィルタ構成の効果が大きいことがわかります。

 

トランスの補助巻線による電源供給

トランスの補助巻線による電源供給についてまとめておきます。

 

PFC Chokeを例にしています。

LT1249760805410でLTspiceでシミュレーションしてみます。

 

まず、定常状態のAC半周期(50/2=25Hz=40ms)における補助巻線の電圧です。

巻線比が39:4で出力電圧が382Vなので、

382/39*4=39Vの矩形波電圧の包絡線の底が

-14Vまで下がるような形で変化することがわかります。

 

この補助巻線電圧にR=220 Ohm, C=0.015uFを介して、

ショットキーダイオードで整流して、

Chold=200uFのホールドキャパシタと

18VのZenerダイオード(1N4746A(Iz=14mA)など)で、

Vcc電圧にしています。

Vcc電流は(Vaux-Vz)*C*f=(39-18)*0.015u*100k=31.5mAに

Rで電流制限をかけた値になるようです。

 

次に、Vcc電圧の起動時の様子です。

PFCのスイッチングが始まる

Vcc Turn-On Threshold=16.5Vまでは、

ブリッジ整流器の出力から抵抗を介して、

トリクル充電されていき、

スイッチングが始まると、

一時的に電圧が下がるため、

Vcc Turn-Off Threshold=10.5V

を下回らないように、

RとCholdを調整すればよいようです。

最終的に、Zenerダイオードで18Vにシャントされます。

 

なお、UCC38050の場合は、

Vccが内部Zenerでクランプされているため、

Input current into VCC clamp=30mA

の最大定格を超えないようにする必要があります。

 

トランスのLTspiceモデルのパラメータ化

1次側インダクタンス(Lp)、1次側巻数(Np)、2次側巻数(Ns)をパラメータとして、

トランスのLTspiceモデルを構成する場合に、

面倒な計算をしないですむ方法などをまとめておきます。

 

LTwikiのリンクが参考になります。

Transformers: Okay, but calculating winding inductances is tedious. Is there some way to just enter a turns count for all the windings?

 

.paramでLp, Np, Nsを与えて、

巻数の2乗あたりのインダクタンス(Kn=Lp/Np**2)を導出パラメータとして計算しておき、

コイルのインダクタンスを{Np**2*Kn}のように

パラメータの計算式で指定する方法です。

 

そのほかにも詳細なトランスのモデル化が必要なアプローチがまとまっていて

とても参考になります。

 

LNK3294による400V入力12V出力の補助電源の回路設計

LinkSwtich-TN2による400V入力12V出力の補助電源の回路設計をまとめておきます。

こちらのリンクが参考になります。

LinkSwitch-TN2 Data Sheet

RDR-737 – 1.44 W Non-Isolated Buck Converter Using LinkSwitch-TN2 900 V

補助電源をACやPFCの出力から降圧コンバータを少ない部品で構成できます。

 

その他主要部品:

ダイオード:

UF4007

SBYV26C

コイル:

RLB9012-152KL

 

 

 

250kHz 140W LLCコンバータの基板設計その2

HiperLCSによる250kHz 140W LLCコンバータの基板設計をアップデートしたので、

まとめておきます。

 

変更点:

インダクタ:

PH0803CNL, CTX100-1-52-R

補助電源:

LT8315

ブリッジダイオード:

KMB220S

 

EAGLEの回路図です。

 

基板レイアウトです。

 

基板上面のベタパターンです。

 

基板下面のベタパターンです。

 

以降は、試作に続きます。

 

 

 

 

絶縁型AC/DCコンバータの接地方法

絶縁型AC/DCコンバータの設置方法をまとめておきます。

こちらのリンクが参考になります。

絶縁型のAC/DCコンバータでは感電しない理由

 

結論としては、

AC入力のニュートラルとアースを接地し、

1次側はフロートでYキャパシタを経由して2次側から接地する

となります。

 

1次側を直接、接地してしまうと、

PFC/LLCなどの一次側からAC入力のニュートラルへの

グランドループが発生して、

漏電遮断器が作動します。

 

また、1次側を直接、接地してしまうと、

グランドからブリッジダイオードの整流ノイズや

PFCのスイッチングノイズが回り込むようです。

 

LT8315による400V入力12V出力の補助電源の回路設計

LT8315による400V入力12V出力の補助電源の回路設計をまとめておきます。

 

補助巻線がないトランスによるLLCコンバータなどで

12Vの補助電源を400VのDCバスから直接、

構成することを想定しています。

 

データシートに載っている、

入力電圧範囲の広い非絶縁型12V降圧コンバータ

の回路を参考にしています。

 

回路の特徴としては、

LT8315のBIASで、LT8315のGNDが

ブートストラップされる構成のようです。

DCMには高電圧がかかるため、

抵抗の損失を考慮する必要があります。

 

出力電圧は

13VのZener-整流ダイオードのVfで

FBをかけています。

 

電流制限用のSOURCE抵抗の値は、

0.47Ωでは電圧が出ないので、

0.33Ω以下がよいようです。

 

出力インダクタンスの許容電流は、

最大出力電流を考慮する必要があります。

LTspiceの回路図です。

 

LTspiceの過渡解析です。

350ms程度で12Vにレギュレートされるようです。

 

LLCコンバータのLTspiceシミュレーションその2

より簡単なLLCコンバータのLTSpiceシミュレーションを見つけたのでまとめておきます。

こちらのリンクが参考になります。

LLCコンバータの設計方法【詳細説明】

 

LTSpiceモデルのポイントとしては、

MOSFETをスイッチとダイオードで構成して、

ハーフブリッジの上下2つのスイッチを、

2つの電圧源でPULSEの位相を半周期ずらして駆動しています。

 

また、2次側出力電圧は初期値として与えてあるので、

定常状態になるように、スイッチング周波数で

2次側出力電圧を制御できることがわかります。

 

LTSpiceの回路図です。

LTSpiceの過渡解析の結果です。

トランスの共振電流(緑)、

励磁電流(青)、

1次側電流(赤)

をプロットしています。

共振キャパシタは、

スプリットにしてグランド側に

配置するトポロジーもあります。

 

2次側は、カレントダブラの単電源の構成から、

両電源とするためにセンタータップのブリッジ構成としています。

 

2次側の出力キャパシタの後に、

LCフィルタを構成してリップルを減少させています。