世界で消費される電力の多くは、何らかの形でAC-DC電源ユニット（PSU）に供給されており、その効率は、運用コストや環境に影響を与える排出物の観点から重要であることを意味します。効率とは、簡単に言えば、負荷に供給される有用な電力に対する送電網からの電力の割合のことです。しかし、線路の電流と電圧が同相でなかったり、波形が異なっていたりすると、見かけ上の消費電力が大きくなり、効率が大幅に低下します。
同相動作と逆相動作の比率は力率と呼ばれ、PSU設計者にとってはこの比率を可能な限り1に近づけることが重要な目標となります。実際、この点は非常に重要であり、現在ではIEC 61000-3-2のような法律や規格で、ライン高調波の電力に制限を設けることが義務付けられています。
さらに、新しい効率基準では、より広い動作電力範囲での効率レベルが規定されています。例えば、80 PLUS®プログラムでは、20%から100%の負荷で80%の効率を促進していますが、最高レベル（「80+ Titanium standard」と呼ばれる）では、10%の負荷で90%、100%の負荷で94%の最低効率を規定しています。
80 PLUS®プログラムの効率レベル認証
出典：CLEAResult®社
通常、力率改善（Power Factor Correction、PFC）は、入力された主電源を主電源のピークよりも高いDCレベルに昇圧し、これをパルス幅変調（PWM）などの技術を用いて整流して出力レベルにすることで行われます。 この方法はうまく機能しますが、PFCステージに固有の損失（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+ Titaniumで要求されるAC-DC電源ユニット全体で96％（入力230VAC、負荷50％）を達成することはほとんど不可能です。
従来のトーテムポール型（左）とブリッジレス型（右）の昇圧PFC回路
ブリッジレス設計（トーテムポールPFC）では、入力ラインのブリッジダイオードを高効率の同期整流器に置き換え、昇圧インダクタの位置を変更することで、損失を大幅に低減しています。これにより理論上は100％の効率が得られますが、理想的ではないインダクタやアクティブスイッチの伝導損失やスイッチング損失があるため、実際には達成できません。
トーテムポール型PFCの構造
CCM（Continuous Conduction Mode）やDCM（Discontinuous Conduction Mode）などの手法は、高出力時や低出力時に限界があるため、数百W程度の出力ではCrM（Critical Conduction Mode）がよく用いられます。このモードでは、スイッチング周波数を変化させることで、負荷電流やライン電圧の変動に応じてCCMとDCMの境界線上で動作させ、低いターンオン損失を実現するとともに、ピーク電流を制限して許容可能な伝導損失とコア損失を実現します。
CrMのスイッチング周波数は可変であるため、軽負荷時には高い周波数が発生し、スイッチング損失が増加して効率が低下します。これは、コンピュータ用電源の規格で義務付けられているスタンバイ時や無負荷時のエネルギー消費量の制限を満たす上で、大きな問題となります。しかし、この問題は、スイッチング周波数を「折り返す」ことで、軽負荷時にDCMを強制的に動作させることで解決できます。
TPPFCを採用することで、究極のPFC効率を実現することができますが、4つのアクティブなスイッチングデバイスの制御、CrMを強制するためのゼロ電流の検出、出力の調整、過電流・過電圧保護を行う必要があるため、設計は困難を極めます。また、このトポロジーを実現するために、従来はソフトウェアのコーディングが必要なデジタルコントローラが使用されていたため、特に慣れていない、あるいは経験の少ない電源設計者にとっては、さらなる課題となっていました。
これらの課題を解決するために、オンセミは、業界初のミックスドシグナルの CrM トーテムポールコントローラ「NCP1680」 を提供しいています。このデバイスは、斬新な低損失の電流検出アーキテクチャと実証済みの制御アルゴリズムを備えており、コスト効率が高く、高性能で、短期間で市場投入できるソリューションです。そのため、フル機能のトーテムポールPFCを実現するために外部に必要なのは、わずか数個のシンプルな部品だけであり、これにより省スペース化と部品コストの削減を実現しています。さらに、高価なホール効果センサーを使用せずに、サイクルごとの電流制限を実現しています。
NCP1680を用いたトーテムポール型PFCの応用例
AC90〜265VラインからDC395Vで300Wを供給する評価ボードを用意しています。これは、高速レッグスイッチにGaN HEMT、ACラインの同期整流器にSi-MOSFETを使用しており、20%の負荷までのライン電圧範囲で98%の効率を示しています。
NCP1680評価ボード
トーテムポールアーキテクチャの採用は、トーテムポールの速い方の足に使われるSiC（シリコンカーバイド）やGaN（ガリウムナイトライド）デバイスの利点（主に逆回復電荷の少なさ）が大きく影響しています。NCP1680は、シリコンベースのスーパージャンクションシリコンMOSFETや、SiCやGaNデバイスなど、あらゆるタイプのスイッチに対応しています。
力率改善の詳細は以下の資料をご参照ください。
