การสูญเสียพลังงานในวงจรบริดจ์เร็กติไฟเออร์ (Bridge Rectifier) ​​ที่ฝั่งอินพุตเป็นอุปสรรคสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดให้กับแหล่งจ่ายไฟแบบ AC-DC วงจรแก้ไขตัวประกอบกำลัง (Power Factor Correction หรือ PFC) แบบ Totem-pole ที่ไม่มีบริดจ์เร็กติไฟเออร์ (Bridgeless Totem-pole PFC) ถือเป็นทางเลือกที่มีประสิทธิภาพสูง โดยจะเข้ามาแทนที่บริดจ์เร็กติไฟเออร์, FET สำหรับ PFC และไดโอดแบบบูสต์ (Boost Diode) ที่ก่อให้เกิดการสูญเสียพลังงาน ด้วยการใช้อุปกรณ์สวิตช์แบบแอคทีฟจำนวน 4 ตัว อย่างไรก็ตาม โทโพโลยีนี้จำเป็นต้องใช้อัลกอริทึมการควบคุมที่ซับซ้อน ซึ่งอาจต้องอาศัยไมโครคอนโทรลเลอร์ที่มีราคาสูง ต้นทุนและความซับซ้อนของส่วนควบคุมนี้จึงกลายเป็นอุปสรรคสำหรับทีมวิศวกรบางกลุ่มในการนำเทคนิคดังกล่าวไปใช้งาน

พบเห็นได้ทั่วไป

แหล่งจ่ายไฟแบบ AC-DC เป็นสิ่งที่พบเห็นได้ทั่วไปและใช้พลังงานในสัดส่วนที่สูงมากเมื่อเทียบกับการใช้พลังงานทั่วโลก ประสิทธิภาพของแหล่งจ่ายไฟเหล่านี้จึงส่งผลโดยตรงต่อต้นทุนของระบบและปริมาณการปล่อยมลพิษ เมื่อกล่าวถึงแหล่งจ่ายไฟแบบ AC-DC ยังมีอีกหนึ่งพารามิเตอร์ที่สำคัญมาก นั่นคือ "ตัวประกอบกำลังอินพุต" (Input Power Factor) หากกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าในสายส่งไม่มีรูปคลื่นไซน์และเฟสที่ตรงกัน จะทำให้แหล่งจ่ายไฟดึงกำลังไฟฟ้าปรากฏ (Apparent Power) ออกมามากกว่าที่จำเป็น ส่งผลให้เกิดความไร้ประสิทธิภาพที่ส่งย้อนกลับไปยังโครงข่ายไฟฟ้า ความไร้ประสิทธิภาพนี้สามารถแก้ไขได้ด้วยวงจร PFC ซึ่งปัจจุบันได้กลายเป็นข้อกำหนดทางกฎหมายในหลายประเทศและหลายภูมิภาค แหล่งจ่ายไฟทั่วไปที่ไม่มีวงจรแก้ไขตัวประกอบกำลังแบบแอคทีฟอาจดึงกระแสไฟฟ้ามากกว่าแหล่งจ่ายไฟที่มีวงจรดังกล่าวถึง 70% ด้วยเหตุนี้ จึงมีการกำหนดให้ต้องติดตั้งวงจรเพื่อปรับค่าตัวประกอบกำลังให้ใกล้เคียงกับหนึ่ง (Unity)

นอกจากนี้ มาตรฐานความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) เช่น IEC 61000-3-2 ยังได้กำหนดขีดจำกัดของกำลังไฟฟ้าในส่วนประกอบฮาร์มอนิก (Line Harmonics) ของกระแสไฟฟ้า โดยครอบคลุมไปจนถึงฮาร์มอนิกอันดับที่ 40 ซึ่งเกิดจากกระแสไฟฟ้าที่ผิดเพี้ยนไปจากรูปคลื่นไซน์ ส่วนโปรแกรมการรับรองมาตรฐาน "80 Plus" นั้นมุ่งเน้นที่ประสิทธิภาพการทำงานระดับ 80% โดยพิจารณาจากระดับโหลดที่ 20%, 50% และ 100% สำหรับมาตรฐาน 80 Plus ในระดับสูงสุดที่เรียกว่า "80+ Titanium" นั้น กำหนดให้แหล่งจ่ายไฟต้องมีประสิทธิภาพอย่างน้อย 90% ที่ระดับโหลดตั้งแต่ 10% ไปจนถึง 100%

มาตรฐาน 80+ Titanium

วิธีการดั้งเดิมในการแก้ไขตัวประกอบกำลังแบบแอคทีฟคือการใช้วงจรแปลงแรงดันแบบบูสต์ (Boost Converter) เพื่อแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่ผ่านการเร็กติไฟแล้ว ให้เป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ที่มีระดับสูงกว่าค่าแรงดันสูงสุด (Peak Voltage) ของแหล่งจ่ายไฟหลัก ดังแสดงในรูปที่ 1 (ซ้าย) การมอดูเลชั่นความกว้างพัลส์ (Pulse-width modulation) ถูกนำมาใช้เพื่อควบคุมระดับกระแสตรง (DC) และในขณะเดียวกันก็บังคับให้กระแสไฟฟ้าในสายเป็นไปตามรูปคลื่นของแรงดันไฟฟ้าในสาย

เทคนิคนี้ทำงานได้ดีและควบคุมได้ง่ายในโหมดการนำไฟฟ้าแบบต่อเนื่อง ไม่ต่อเนื่อง และวิกฤต ซึ่งเกี่ยวข้องกับว่าพลังงานของตัวเหนี่ยวนำบูสต์ถูกใช้หมดไปในแต่ละรอบหรือไม่ อย่างไรก็ตาม ยังมีความกดดันในการเพิ่มประสิทธิภาพของตัวแปลง AC-DC ด้วย โดยมาตรฐาน '80+ Titanium' ที่เข้มงวดที่สุดสำหรับเซิร์ฟเวอร์กำหนดให้มีประสิทธิภาพสูงถึง 96% ที่อินพุต 230VAC ที่โหลด 50% โดยทั่วไป อนุญาตให้มีการสูญเสีย 2% ในขั้นตอน DC-DC เหลือเพียง 2% สำหรับการแก้ไขสายและขั้นตอน PFC แต่การสูญเสียมากกว่า 1% เกิดขึ้นได้ง่ายในวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์เพียงอย่างเดียว และสูงถึงประมาณ 1.7% ที่แรงดันไฟฟ้าต่ำ

‍

ด้วยเหตุนี้ จึงมีการพัฒนาเทคนิคที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้น นั่นคือ Bridgeless Totem-Pole PFC (TPPFC) ดังแสดงทางด้านขวาของรูปที่ 1 โดยแทนที่ไดโอดบูสต์ด้วยวงจรเรียงกระแสแบบซิงโครนัส (Synchronous Rectifier) ทำให้ทรานซิสเตอร์บูสต์และไดโอดบูสต์ Q1 และ Q2 สามารถสลับหน้าที่กันได้ตามขั้วของแรงดันไฟฟ้าสายเมน

การออกแบบนี้ใช้ไดโอดสำหรับเรียงกระแสจากสายเมนเพียงสองตัว และยังสามารถแทนไดโอดดังกล่าวด้วยวงจรเรียงกระแสแบบซิงโครนัสที่ใช้ Q3 และ Q4 ได้เช่นกัน เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพให้สูงขึ้นอีก

หากสวิตช์เป็นอุดมคติ ตัวเหนี่ยวนำไม่มีการสูญเสีย และไม่มีแรงดันตกคร่อมไดโอด ประสิทธิภาพของวงจร TPPFC จะเข้าใกล้ 100% ได้ อย่างไรก็ตาม สวิตช์จริงมีทั้งการสูญเสียขณะนำกระแสและการสูญเสียขณะสวิตช์ แม้จะใช้ MOSFET ที่มีความต้านทานขณะเปิดต่ำมาก (On-Resistance) หรือเชื่อมต่อ MOSFET หลายตัวแบบขนานเพื่อลดการสูญเสียขณะนำกระแส แต่แนวทางนี้มักเพิ่มการสูญเสียเชิงพลวัต (Dynamic Losses) จึงจำเป็นต้องหาจุดสมดุลระหว่างการสูญเสียทั้งสองประเภท

การสูญเสียเชิงพลวัตเกิดจากปรากฏการณ์การคืนตัวของประจุย้อนกลับ (Reverse Recovery) ของ MOSFET ที่ทำหน้าที่เป็นวงจรเรียงกระแสซิงโครนัสของบูสต์ เมื่อไดโอดภายในตัว MOSFET (Body Diode) นำกระแสในช่วงเวลาตาย (Dead Time) ระหว่างการสวิตช์ นอกจากนี้ การชาร์จและคายประจุของความจุเอาต์พุตของสวิตช์ยังทำให้เกิดการสูญเสียเพิ่มเติมด้วย

ผลกระทบต่อประสิทธิภาพอาจรุนแรงถึงขั้นทำให้ MOSFET ซิลิคอน รวมถึงชนิด Superjunction ไม่เหมาะสำหรับวงจรนี้เมื่อทำงานในโหมด CCM ดังนั้น จึงต้องพิจารณาใช้อุปกรณ์สวิตช์ที่ทำจากสารกึ่งตัวนำแถบพลังงานกว้าง (Wide-Bandgap Semiconductor) เช่น ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกลเลียมไนไตรด์ (GaN)

โหมด CCM เหมาะกับการใช้งานที่กำลังสูง เนื่องจากสามารถออกแบบให้กระแสยอดของสวิตช์และตัวเหนี่ยวนำอยู่ในระดับต่ำ ช่วยลดค่ากระแส RMS และลดการสูญเสียทั้งขณะนำกระแสและในแกนตัวเหนี่ยวนำ อย่างไรก็ตาม CCM เป็นโหมดการสวิตช์แบบฮาร์ดสวิตชิง (Hard Switching) ซึ่งผลจาก Reverse Recovery และความจุเอาต์พุตทำให้เกิดการสูญเสียเชิงพลวัตสูง

ในทางกลับกัน โหมด DCM มีการสูญเสียขณะเปิดสวิตช์ (Turn-On Losses) ต่ำเมื่อทำงานที่กำลังต่ำ เนื่องจากกระแสผ่านไดโอดบูสต์ลดลงจนเป็นศูนย์ จึงไม่มีประจุสะสมที่ต้องคืนกลับ อย่างไรก็ตาม กระแสยอดและกระแส RMS อาจสูงจนควบคุมได้ยาก ส่งผลให้เกิดการสูญเสียจากความต้านทานและการสูญเสียในแกนแม่เหล็กสูง จึงไม่เหมาะกับการใช้งานกำลังสูง

ทางเลือกที่สมดุล

โหมดที่เป็นทางเลือกประนีประนอมได้ดีคือ Critical Conduction Mode (CrM) ซึ่งสามารถใช้กับกำลังไฟฟ้าสูงถึงหลายร้อยวัตต์ หรือสูงกว่านั้นเมื่อใช้เทคนิคอินเตอร์ลีฟ (Interleaving)

ในโหมดนี้ ความถี่สวิตช์จะเปลี่ยนแปลงตามกระแสโหลดหรือแรงดันสาย เพื่อให้วงจรทำงานบริเวณรอยต่อระหว่าง CCM และ DCM ข้อดีคือยังคงรักษาการสูญเสียขณะเปิดสวิตช์ให้อยู่ในระดับต่ำ พร้อมจำกัดกระแสยอดให้อยู่ที่ประมาณสองเท่าของกระแสเฉลี่ย ช่วยควบคุมการสูญเสียขณะนำกระแสและการสูญเสียในแกนแม่เหล็กให้อยู่ในระดับเหมาะสม ดังแสดงในรูปที่ 2

อย่างไรก็ตาม การปิดวงจรใน CrM ทำให้เกิดการสลับกระแสแบบแข็ง (hard switching commutation) โดยการฟื้นตัวไปข้างหน้าของไดโอดบูสต์จะทำให้เกิดการสูญเสียและแรงดันเอาต์พุตเกิน (overshoot) นอกจากนี้ ความถี่ในการสลับกระแสที่ปรับได้ของ CrM ยังมีข้อเสียคือ ในสภาวะโหลดเบา ความถี่อาจสูงมาก ทำให้เกิดการสูญเสียจากการสลับกระแสมากขึ้นและประสิทธิภาพลดลง ความสัมพันธ์ดังกล่าวแสดงได้ดังนี้:

จากสมการจะเห็นได้ว่า ความถี่สวิตช์มีความสัมพันธ์แบบแปรผกผันกับกำลังไฟฟ้าขาเข้า กล่าวคือ หากกำลังโหลดเปลี่ยนจาก 20% เป็น 100% หรือเพิ่มขึ้น 5 เท่า ความถี่ก็ควรเปลี่ยนแปลงในอัตรา 5 เท่าเพื่อรักษาประสิทธิภาพให้คงที่ อย่างไรก็ตาม ความถี่ที่สูงขึ้นทำให้ประสิทธิภาพลดลงอยู่แล้ว ปัจจัยทั้งสองจึงส่งผลต่อกัน

นอกจากนี้ ความสัมพันธ์ระหว่างความถี่สวิตช์กับแรงดันสาย RMS ยังมีความซับซ้อนมากกว่า โดยทั่วไป ความถี่อาจเปลี่ยนแปลงในช่วงมากกว่า 2:1 ตลอดช่วงแรงดันสาย และมีค่าสูงสุดเมื่อแรงดันอยู่ในช่วงกลาง

การลดการสูญเสียเมื่อโหลดเบา

เมื่อโหลดเบา ประสิทธิภาพอาจลดลงได้ถึง 10% ซึ่งเป็นปัญหาสำคัญในการปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านการใช้พลังงานขณะสแตนด์บายหรือขณะไม่มีโหลด

แนวทางหนึ่งในการแก้ไขคือการจำกัดหรือลดเพดานความถี่สวิตช์สูงสุด (Frequency Clamping หรือ Frequency Foldback) โดยบังคับให้วงจรเปลี่ยนเข้าสู่โหมด DCM เมื่อโหลดเบา ในช่วงนี้ แม้กระแสยอดจะสูงกว่าในโหมด CrM แต่ระดับกระแสยอดดังกล่าวก็ลดลงอยู่แล้วเมื่อเทียบกับการทำงานที่โหลดสูง

ดังนั้น แนวทางที่เหมาะสมสำหรับวงจร PFC ซึ่งต้องการประสิทธิภาพสูงในช่วงโหลดปานกลาง และต้องรักษาประสิทธิภาพให้ดีตลอดช่วงแรงดันสายและโหลด คือการใช้โครงสร้าง Totem-Pole ร่วมกับการจำกัดความถี่สวิตช์

วงจรควรใช้ MOSFET ซิลิคอนสำหรับการเรียงกระแสแบบซิงโครนัสในฝั่งไฟ AC และใช้อุปกรณ์สวิตช์ Wide-Bandgap สำหรับแขนงที่ทำงานด้วยความถี่สูง อย่างไรก็ตาม การควบคุมวงจรนี้มีความท้าทาย เนื่องจากต้องขับสวิตช์แอ็กทีฟทั้งสี่ตัว ตรวจจับจุดที่กระแสไดโอดลดลงเป็นศูนย์เพื่อบังคับให้วงจรทำงานในโหมด CrM เปลี่ยนเข้าสู่ DCM โดยอัตโนมัติเมื่อโหลดเบา ควบคุมแรงดันเอาต์พุต และรักษาตัวประกอบกำลังให้อยู่ในระดับสูงไปพร้อมกัน

นอกจากนี้ ยังควรมีระบบป้องกันกระแสเกินของสวิตช์และระบบตรวจจับแรงดันเอาต์พุตเกิน องค์ประกอบทั้งหมดนี้สามารถดำเนินการได้ด้วยอัลกอริทึมควบคุมที่ซับซ้อนบนไมโครคอนโทรลเลอร์ ซึ่งเชื่อมต่อกับสวิตช์กำลังและสัญญาณจากวงจรตรวจวัด

อย่างไรก็ตาม แนวทางดังกล่าวอาจมีต้นทุนสูง อีกทั้งวิศวกรผู้ออกแบบแหล่งจ่ายไฟยังต้องเขียนโปรแกรมและปรับแต่งการทำงานของไมโครคอนโทรลเลอร์ให้เหมาะสมที่สุด ซึ่งอาจเป็นงานที่ยุ่งยากและใช้เวลามากสำหรับผู้ที่ไม่มีประสบการณ์ด้านนี้

ตัวควบคุม TPPFC ในโหมด CrM

ปัจจุบัน ON Semiconductor นำเสนอโซลูชันที่เรียบง่ายยิ่งขึ้นโดยไม่จำเป็นต้องเขียนโค้ดใดๆ นั่นคือ NCP1680 ซึ่งถือเป็นคอนโทรลเลอร์แบบ CrM TTPFC (Totem-Pole Power Factor Correction) ชนิดสัญญาณผสม (Mixed-signal) เพียงรุ่นเดียวในอุตสาหกรรมที่มาในแพ็กเกจแบบ SOIC-16 อุปกรณ์นี้ใช้สถาปัตยกรรมการตรวจวัดกระแสไฟฟ้าแบบสูญเสียต่ำที่เป็นเอกสิทธิ์เฉพาะ พร้อมด้วยอัลกอริทึมการควบคุมที่ผ่านการพิสูจน์แล้ว จึงเป็นโซลูชันที่คุ้มค่า มีความเสี่ยงต่ำ แต่ให้ประสิทธิภาพการทำงานสูง อุปกรณ์รุ่นนี้โดดเด่นด้วยการควบคุมแบบ Constant On-time ในโหมด CrM และเทคนิค ‘Valley Switching’ ในช่วงที่ความถี่ลดลง (Frequency Foldback) ขณะโหลดเบา ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานโดยการสลับสถานะที่จุดแรงดันไฟฟ้าต่ำสุด นอกจากนี้ยังมีวงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบดิจิทัลที่ได้รับการชดเชยสัญญาณภายในตัวอุปกรณ์ ช่วยให้การออกแบบระบบทำได้ง่ายขึ้นและให้ประสิทธิภาพสูงสุดตลอดช่วงการใช้งาน ทั้งยังมาพร้อมระบบจำกัดกระแสไฟฟ้าแบบรอบต่อรอบ (Cycle-by-cycle current limiting) เพื่อการป้องกัน โดยไม่จำเป็นต้องใช้เซนเซอร์แบบ Hall-effect แผนผังอย่างง่ายที่แสดงการประยุกต์ใช้งานภาค PFC แบบ Totem-pole โดยใช้ NCP1680 นั้น แสดงไว้ในรูปที่ 3

นอกจากนี้ ยังมีบอร์ดประเมินผล (Evaluation Board) สำหรับ NCP1680 ดังแสดงในรูปที่ 4 โดยใช้เซลล์ทรานซิสเตอร์ HEMT ที่ทำจาก GaN สำหรับสวิตช์ความเร็วสูง และใช้ MOSFET ซิลิคอน (Si-MOSFET) สำหรับวงจรเรียงกระแสแบบซิงโครนัสฝั่งไฟ AC

บอร์ดนี้สามารถจ่ายกำลังไฟฟ้า 300 W ที่แรงดันเอาต์พุต 395 VDC เมื่อรับแรงดันไฟฟ้าสายเมนในช่วง 90–265 VAC ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพที่โหลดเต็มมีค่าสูงสุดเกือบ 99% และยังคงทำได้ 98% ตลอดช่วงแรงดันอินพุตจนถึงระดับโหลด 20% ดังแสดงในรูปที่ 5

ด้วยความพร้อมใช้งานของเซมิคอนดักเตอร์แบบแบนด์แกปกว้างและตัวควบคุมแบบผสมสัญญาณ (Mixed Signal) ที่มีประสิทธิภาพคุ้มค่าจาก ON Semiconductor วงจร PFC แบบโทเทมโพลจึงกลายเป็นโซลูชันที่เหมาะสมสำหรับการแก้ไขตัวประกอบกำลังไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูงในระดับหลายร้อยวัตต์ ในขณะเดียวกันก็ช่วยให้เป็นไปตามมาตรฐานประสิทธิภาพ 80+ Titanium และข้อกำหนดด้านการออกแบบเชิงนิเวศน์สำหรับความสูญเสียในโหมดสแตนด์บายและขณะไม่มีโหลด

ด้วยความต้องการประสิทธิภาพที่สูงขึ้นจากทุกภาคส่วน การปรับปรุง PFC แบบแอคทีฟที่สามารถทำได้โดยใช้ CrM เพื่อลดความสูญเสียในทุกระดับโหลด จะเป็นที่น่ายินดีสำหรับผู้ผลิต ผู้บริโภค และผู้ให้บริการด้านสาธารณูปโภค วิศวกรสามารถเริ่มประเมิน NCP1680 ได้แล้ว และนำประสิทธิภาพที่สูงขึ้นไปสู่การพัฒนาผลิตภัณฑ์ใหม่ในทุกพื้นที่การใช้งาน