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12 Trend Guide Leistungshalbleiter 2022 www markttechnik de Fokus meisten Entwicklern als Standardlösung Allerdings sinkt ihr Wirkungsgrad bei Anwendungen mit hoher Leistung In diesen Fällen kann eine Totem-Pole-PFC-Topologie trotz der zusätzlichen Komplexität besser geeignet sein Die Einführung von integrierten Totem-Pole-Controllern wie dem MPF32010 von Monolithic Power Systems vereinfacht die Implementierung solcher PFC-Wandler erheblich rh ■ Zuerst in Englisch veröffentlicht in EDN Unterschiede bei den Betriebsarten Ein weiterer entscheidender Aspekt beim Vergleich von Boostund Totem-Pole-PFC-Topologien ist die Betriebsart Totem-Pole-Topologien arbeiten in der Regel im nichtlückenden Betrieb Continuous Conduction Mode CCM während die Interleaved-Boost-Topologie im quasiresonanten Modus zwischen nichtlückendem und lückendem Betrieb Critical Conduction Mode CrCM arbeitet Der CCM-Betrieb reduziert die Welligkeit des Spulenstroms und den THDI erheblich während der CrCM-Betrieb eine viel kleinere Induktivität erfordert und zu einem niedrigeren Index der induktiven Energie IEI führt Bild 6 Allerdings führt ein höherer THDI dazu dass der Eingangsfilter bei einer Boost-PFC größer sein muss um die Anforderungen an die Netzqualität zu erfüllen Dies konterkariert die Vorteile geringere Kosten und Größe die sich aus dem Wegfall einer Induktivität ergeben Darüber hinaus ist der Strom über die Schalter beim quasiresonanten Modus viel größer als beim nichtlückenden Betrieb Dadurch werden die Schaltkomponenten zusätzlich durch Spannung und Strom belastet Bild 7 Fazit Mehrere Wandler parallelzuschalten verbessert die Leistungsfähigkeit weil sich der gesamte Eingangsstrom gleichmäßig auf mehrere Phasen aufteilt Ein einzelner nicht verschachtelter Hochsetzsteller allein könnte einer Totem-Pole-PFC weder beim Wirkungsgrad noch bei der Leistungsfähigkeit das Wasser reichen Durch die Verschachtelung mehrerer paralleler Hochsetzsteller verbessert sich die Leistungsfähigkeit jedoch drastisch was die Interleaved-Boost-Topologie zu einer echten Option für Anwendungen im mittleren Leistungsbereich macht wie das 300-W-Beispiel gezeigt hat Bei hohen Leistungen hat auch Interleaved-Boost-Topologie Mühe den Wirkungsgrad von Totem-Pole-Topologien zu erreichen Darüber hinaus profitieren bei Anwendungen mit 3 kW oder mehr sogar Totem-Pole-Wandler vom Interleaving Durch die Aufteilung des Stroms auf zwei Zweige halbiert sich die Induktivität in jedem Zweig Dies verringert die Anforderungen an die Leistungsschalter und reduziert gleichzeitig die Welligkeit des Eingangsstroms Tabelle 2 fasst die Parameter der drei PFC-Topologien zusammen – Weil die Boost-PFC-Topologie so simpel ist gilt sie bei den Parameter Interleaved-Boost-PFC CrCM Totem-Pole-PFC CCM Interleaved-Totem-Pole CCM Anzahl der Dioden 6 2 2 Anzahl der unabhängigen Schalttransistoren 2 2 4 Index der Gesamtschaltleistung TSP 26 5 11 2 11 2 Anzahl der Strom sensoren 2 1 2 Anzahl der Spannungssensoren 2 2 2 Anzahl der Induktivitäten 2 1 2 Induktivität pro Spule in µH 35 8 3-kW-Design 358 300-W-Design 239 3-kW-Design 2390 300-W-Design 477 9 3-kW-Design 4779 300-W-Design Inductive Energy Index IEI in J VA 4 19 4 19 4 Ausgangskapazität in µF 1194 3-kW-Design 119 300-W-Design 1194 3-kW-Design 119 300-W-Design 1194 3-kW-Design 119 300-W-Design Capacitive Energy Index CEI in JkVA 31 8 31 8 31 8 Eingangsstromwelligkeit maximal in % 71 13 5 8 Gesamtklirrfaktor des Eingangsstroms THD Ibei Nennleistung ohne Filter in % 17 4 6 2 1 Wirkungsgrad 300-W-Design bei Nennleistung in % 98 34 98 25 98 28 Wirkungsgrad 3-kW-Design bei Nennleistung in % 98 00 99 23 99 23 Tabelle 2 Vergleich der PFC-Topologien Simulationsergebnisse Bild 6 Simulationsergebnisse für die Eingangsströme bei verschiedenen PFC-Topologien Bild 7 Simulationsergebnisse der Ströme durch die Induktivitäten bei verschiedenen PFC-Topologien Bild 5 Verlustleistungen der PFC-Stufe in Watt in 3-kW-Netzteilen blau Leitverluste orange Schaltverluste