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ブリッジレス・トーテムポール 力率補正の使用タイミングと使用方法 (Digi-Key社【アプリケーションラボ】技術解説記事のご紹介)

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No.1663 2023.1.17
  ブリッジレス・トーテムポール 力率補正の使用タイミングと使用方法(Digi-Key社【アプリケーションラボ】技術解説記事のご紹介)  
 
 「アプリケーションラボ」は、Digi-Key社のご協力をいただいて、Digi-Key社が公開している新製品や技術情報を日本語でご紹介するWebページです。基礎技術から最新技術まで有益な情報を公開していますので、是非ご活用ください。

 今回は、電子機器の電源に「ブリッジレストーテムポール力率補正」技術を採用することで高い力率と効率を実現する方法について解説した記事をご紹介します。

ブリッジレス・トーテムポール 力率補正の使用タイミングと使用方法

 現在市販されている電子機器では、電磁波を発生させずまた電磁波の影響を受けないという電磁両立性(EMC)ならびに、電源の変換効率を高く維持することが法律によって規制されています。

 電磁両立性については、IEC 61000-3-2において電子機器をクラスA~クラスDに分類し、各々のクラスで発生する高調波電流の限度値が規定されています。また、電源の効率については、電子機器の国際的な省エネルギー制度であるEnergy Star(国際エネルギースタープログラム)によって、80 PLUSなどの消費電力の基準が設定されています。80 PLUSは、米国のEcosコンサルティング社が2004年に開始した、電源装置が80%以上の変換効率を持つことを保証する監査および認証プログラムです。

 80 PLUSは入力電圧がAC115VとAC230Vの電源ユニットの電力変換効率に関する規格であり、複数の電圧が必要なコンピュータの電源ユニットなどにおいて、交流から直流に変換する際に、電力変換効率が80%以上の変換効率を備える製品に与えられる認証です。変換効率の低い順からスタンダード、ブロンズ、シルバー、ゴールド、プラチナ、チタニウムの6つのランクが定められています。



Energy Starと80 PLUSの認証ロゴ

 80 PLUSで最高レベルのTitaniumは、115VのAC入力に対し、最低の効率が定格負荷の10%と100%の両方で力率(Power Factor:PF)90%、定格負荷の50%で94%、定格負荷の20%で95%以上と規定しています。力率は有効電力と消費電力の比率で、消費電力がどれだけ効率よく有効電力に変換されたかを表します。

 一般的な力率の改善方法は、入力AC電源のピーク値よりも高いDC電圧に昇圧し、これをパルス幅変調(PWM)などを用いて整流します。ただし、この方法では固有の損失(低電圧時の昇圧DC/DCで2%、ブリッジ整流器で2%)があるため、80 PLUS Titaniumで要求される効率を達成させることはほとんど不可能です。



従来型とブリッジレス型の昇圧PFC回路

 
 そこで、ダイオードによるブリッジ整流ではなく、MOSFETをトーテムポールに2個使用した同期整流を行うことで効率を改善することができます。ただし、理想的なインダクタとスイッチを使用すれば、効率を100%に近づけることができますが、シリコンMOSFETでは逆回復による高周波のスイッチング損失が発生するため、逆回復損失のほとんどないSiCやGaNによるFETを使用する必要があります。

 さらに、適切な力率補正(PFC)を行うには、連続伝導モード(CCM)、不連続伝導モード(DCM)、臨界伝導モード(CrM)といったマイコンを使用した制御を行う必要があり、コスト的にも設計技術的にも難しくなります。そこで、オン・セミコンダクター(onsemi)社が開発した力率補正コントローラNCP1680を使用すると、マイコンを使用せずに「ブリッジレストーテムポール力率補正」を容易に実現することができます。

 【アプリケーションラボ】の解説記事では、AC/DC電源が満たすべき業界標準、電源の効率の算出方法、PFCの制御方法とその特徴、onsemi製デバイスを使用した「ブリッジレストーテムポール力率補正」の設計方法などについて詳しく解説しています。

 ここで解説されているデバイスは、マルツオンラインのウェブサイトで購入できますので、是非参考にしてください。


トーテムポール臨界伝導モード(CrM)
力率補正コントローラ

【NCP1680ABD1R2G】
メーカー : オンセミコンダクター
力率および変換効率を改善する
コントローラです。
単価:¥1,426 (税込)

650Vハーフブリッジゲートドライバ(GaNスイッチ用)
【NCP51820AMNTWG】
メーカー:オンセミコンダクター
ハーフブリッジのゲート・ドライバチップです。
コントローラからの信号を元に駆動FETを
制御します。
単価:¥642 (税込)

電流モードPWMコントローラ
【NCP13992AADR2G】
メーカー:オンセミコンダクター
20KHz~750kHzの範囲でPWM制御が可能な
ハーフブリッジ制御チップです。
単価:¥477 (税込)

オムロンの産業用制御機器はマルツオンラインでご購入いただけます
取り扱い製品を簡単に検索できるWebページを公開しました
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 オムロン社は、京都市に本社を置く大手電気機器メーカーです。一般には、体温計や体重計などの健康器具で知られていますが、産業用の制御装置や電子機器の製造・販売も主力にしています。オムロン社は、制御機器事業、電子部品事業、社会システム事業、ヘルスケア事業をカンパニー制で展開しています。


オムロン社製品の検索ページ

 
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 オムロン社の製品は上記のように多岐にわたるため、できりだけわかりやすく検索できるように分類したWebページをご用意いたしました。ご購入いただく際の参考にしていただければ幸いです。
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