遷移モードPFCの試作

UCC28056による遷移モードPFCの基板設計をまとめておきます。

UCC28056A_760805410

主要部品としては、

PFCコントローラ:

UCC28056B

PFC-Choke:

760805410

MOSFET:

IPAN60R210PFD7S

Diode:

STTH5L06FP

を使用しています。

 

なお、ZCD/CSは補助巻線から行っています。

UCC28056,Using Auxiliary winding voltage for driving ZCD/CS Pin (Rev. B)

 

また、補助電源はUC256404のRVCCから取得しています。

 

 

以下に設計のポイントをまとめておきます。

まず、UCC28056Bは、重負荷(4x 1,000uF x 48V)を起動できず、UCC28056Aでは問題なく起動できました。

PFCの名目電圧390Vに対して、Brown-in電圧が360Vと低くなるようなアプリケーションでは、OVP2が無効になっている必要があるようです。

 

また、UCC28056のVOSNSはOVPの検出にしか利用していないようで、制御はZCD/CSとCOMPだけで行っているようです。

計算ツール

UCC28056x Design Calculator (Rev. B)

が提供されていて、回路定数の設計そのものは容易です。

 

次に、Valley Delay Adjustment(Rdg)の設計ですが、

IPAN60R210PFD7SのCo(tr)=330pFと

760805410のL=225uHから、

Tzdcr=2*3.14*sqrt(330*225)/4=428nsとなり、

Tzcdr0=170ns, dTzcdr5=255nsから、

Rdg5=18k Ohm

を選択しています。

最後に、待機電力の削減に関する、参考資料をまとめておきます。

Optimizing Efficiency and Standby Power With the UCC28056 in Offline Application (Rev. B)

Exceeding Modern Energy Standards with ‘Always On’ PFC and LLC Controllers​ (Rev. B)

 

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。

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。

 

臨界モードPFCの試作

LLC共振ハーフブリッジ・コンバータのフロントエンドに使う、

臨界モードPFCを試作しました。

ユニバーサル入力200Wの設計で、主要部品としては

臨界モードPFCコントローラ UCC38050

PFCチョーク:WE-PFC PFC Choke 760805410

ブースト・ダイオード:600 V, 8 A Ultrafast Boost Diode STTH8S06

スイッチング・トランジスタ:600V CoolMOS P7 Power Device IPA60R060P7

を使用しています。

実際に試作してみたところ、
WEBENCH Power Desginerの設計値は誤りが多く、
データシートの式で検算する必要がありました。
また、こちらの資料も参考になります。
製作自体は部品数も少なく簡単ですが、
商用電源AC100VからDC385Vに昇圧するので、
高電圧の取り扱いに注意が必要です。
また、突入電流も大きいので、
インレットノイズフィルタからの
L(電圧極)にNTCを入れています。
WEBENCHの設計値に従っていますが、
VXH 220uF 450V x3は、
大きすぎかもしれません。
後ほど投稿しますが、
LLCコンバータの試作へつづきます。

臨界モードPFCの基板設計

臨界モードPFCの基板設計をまとめておきます。

 

まず、回路図です。

UCC38050のWEBENCHの回路図に基づいています。

 

基板レイアウトです。

PFC Choke(760805410)の形が独特なのと、

基板自立形電解コンデンサ(VXH)が大きいので、

こんな感じになりました。

 

基板上面のベタパターンです。

スイッチングノードが小さくなるように配置しています。

 

基板下面のベタパターンです。

シグナルグランドとパワーグランドを分けています。

 

部品数が少ないので、基板設計そのものは難しくないと思います。

臨界モードPFCの回路設計

LLC共振ハーフブリッジ・コンバータのフロントエンドに使う、

臨界モードPFCの回路設計をまとめておきます。

 

こちらが参考になります。

グリーン・エレクトロニクス No.13 ディジタル制御電源の実践研究

臨界モードPFCコントローラ UCC38050

 

電流臨界モードは、

整流ダイオードを流れる電流がゼロになったときに

スイッチング・トランジスタをONするため、

ダイオードのリバース・リカバリ電流が流れず、

ノイズが少ないのが特徴です。

一方、チョークコイルを流れる

ピーク電流は入力電流の2倍になるため、

リプル電流が大きく、

トランジスタの電流定格を大きくする必要があります。

 

WEBENCH Power Desginerで、

設計するとこんな感じです。

 

200Wで設計していますが、その他の主要部品としては

PFCチョーク:WE-PFC PFC Choke 760805410

整流ダイオード:Turbo 2 ultrafast high voltage rectifier STTH12S06

スイッチング・トランジスタ:600V CoolMOS P7 Power Device IPA60R060P7

を検討しています。