致力省电节能技术发展，瑞萨的功率因数改善控制IC

1.瑞萨科技在省电节能领域作出的贡献

近年来,伴随着国际节能运动的日益高涨,在世界范围内,针对电子产品的相关法律､法规陆续出台,其内容也在不断升级｡在这一背景下,作为电器电子产品主要构成要素的电源线路显得尤为重要｡  

为此,长期致力于电源线路控制IC产品推广省电节能技术的瑞萨科技,充分运用企业作为基础技术而保有的模拟技术,推出了众多节能的电源用产品,如图1所示｡  



图1.瑞萨科技在电源领域的业务展开情况

众所周知,电源线路中实现功率因数改善(注1)的PFC电路(以下略称PFC)在实现电能效率方面发挥着极大作用｡与其他电源产品一样,瑞萨科技一直在积极推广PFC电路中所使用的控制IC产品｡比如,从图2所示的优化产品结构的发展蓝图中,可以看出控制IC产品的应用范围覆盖了从FPD-TV到PC电源､再到空调等众多白色家电产品｡



图2.瑞萨科技的PFC控制IC产品的展开情况

本文介绍的是面向大功率电源的R2A20114系列PFC控制IC,以及作为开关器件的RJP/RJH60系列IGBT产品｡

2.R2A20114系列产品化的背景

在空调､服务器等运行功率在 1kW(千瓦)以上的大功率产品中,供给的电力必须具有高稳定性｡该电源装置的PFC控制IC,历来都采用单一方式的连续模式(注2)产品｡但伴随着电量的增加､电流的增强,升压线圈日趋大型化,出现了用于吸收越来越大的开关噪声的过滤器也逐步大型化的问题｡为了解决这个问题,PFC控制IC开始呈现出高效率化和低噪声化的趋势｡

近年来,为了解决包括环保在内的种种问题,节能运动正被积极推进,其中的一项内容,便是实施了以实现服务器､PC用电源中能源的高效率化､以及促进采用高效率电源为目的的CSCI (注3)､80 PLUS (注4)等计划｡与此同时,空调等家电在开始运行时的高负荷状态下功率变换效率得以提升,在额定负荷下的功率变换效率提高的要求也在加强｡

为了应对这些要求,瑞萨科技将PFC控制IC的单一方式转变为交错方式(注5),以推动几乎所有负荷领域功率变换效率的提升｡

瑞萨科技生产的中功率 (1kW以下) PFC控制IC——R2A20112,是世界上首次将临界模式交错方式进行产品化生产､实现对单一方式产品功率变换效率提高的产品｡同时,轻负荷､高效率功能搭载品也形成了系列产品,被PC､FPD-TV等很多机器采用｡此外,临界模式交错方式PFC控制IC技术,在大功率产品中也得到了灵活运用｡可以提高各种功率变换效率的连续模式､交错方式PFC控制IC——R2A20114系列产品已经得到推出｡

3.R2A20114系列的特征

PFC控制IC作为减少在服务器､数码家电等产品中,电源装置中交流(AC)和直流(DC)交换时因为输入电压和输入电流的波形不同而产生的无效功率和高调波(注4)的IC,它使输入电流与输入电压具有同样的波形｡为了达到节能同时应对国际上对高调波的限制,近年来该产品被广泛应用在电源装置中｡

R2A20114系列产品,在促进电源装置进一步高效率化､低噪声化的同时,也可对应大功率产品的需求｡

3-1.致力于电源装置小型化

R2A20114系列具备以下可使电源装置整体小型化的特征与功能｡

(1) 通过采用交错方式,使输入波纹电流(脉动电流)与瑞萨科技历来产品相比降低1/4

瑞萨科技在连续模式PFC控制IC上初次采用交错方式,实现了超出单一方式的高效率｡交错方式用于输入电流的波形成形,成对的两个升压电路交互动作,与瑞萨科技历来的一个升压电路动作的单一方式产品相比较,输入波纹电流(脉动电流)可降低1/4｡  

与此同时,电源装置的输入过滤器､升压线圈､输出入电容器等部件的小型化,也使电源装置整体实现了小型化与薄型化｡

例如,在连续模式单一方式产品中,在需要使用大型升压线圈的同时还不得不将其固定在安装线圈的箱体上｡而R2A20114系列产品由于可以使用小型线圈,因此可以直接搭载在电路板上｡从而使控制线圈自身成本和安装成本都成为可能｡

同时,由于线圈､电路间的配线可以收藏在电路板内,因此不仅EMC噪声得到了降低,电源系统整体工作的稳定性也得到了提高｡

(2) 与瑞萨科技历来产品相比,降低了约6dB的噪声

如何降低开关噪声是处理大功率连续模式的一大课题｡而在R2A20114系列产品中､由于搭载了开关频率的调制功能,因而使在可变化范围和频率的规格范围内任意设定开关频率成为现实｡与瑞萨科技以前的连续模式产品相比较,噪声峰值降低约6dB,为电源线噪声的降低做出了贡献｡

(3) 内置各种保护线路

R2A20114系列内置如下多种保护线路｡使电源系统在提高稳定性的同时,通过减少零件的点数使电源装置趋向简单,从而降低成本｡

实现业界首例内置交错方式下成对的两个升压电路的平衡在遭到破坏时输出错误信号的功能｡

超电流工作持续一定时间以上时,离合器停止的定时自锁功能｡

输入AC电压偏低时,停止工作的功能｡

两个系统的超电压线路等｡

3-2.轻负荷时的效率提高

R2A20114系列产品可以提高轻负荷时的效率｡

(1) 通过轻负荷时的效率提高,实现全负荷领域的高功率变换效率

R2A20114系列产品具有在不需要大功率的轻负荷状态时停止单方升压线路的功能(相位落下功能)｡在供给相同电功率的电源线路中,由于交错方式的电流值是单一方式的一半,开关器件等可以控制电力损失,因此,在重负荷领域中,交错方式在效率方面更为有利｡但是,在轻负荷领域中,由于开关器件的电力损失起支配作用,因此它并不能比单一方式更有效率｡相位落下功能在轻负荷时将它转换成单一方式,可以将上述开关时的电力损失减半｡由此,交错方式中轻负荷时的效率提高问题得以解决,这样可实现在几乎所有负荷领域中功率变换效率的提高｡

3-3.应对大功率用电源

R2A20114系列具备能让数个R2A20114系列IC同时运转的功能｡该功能使得大功率用电源很容易实现｡

(1) 通过外部的同期输入端子,实现数个R2A20114系列IC的同期并列运转

R2A20114系列装备有接收外部信号控制PFC工作的外部同期输入端子｡利用这个端子,可以使数个R2A20114系列IC同期并列运转｡

也就是说,以R2A20114系列IC､辅助线圈､开关器件为中心的电源线路,通过利用这个端子来并列运行,使得大功率用电源的实现成为可能｡这一功能可以对零件的标准化､电源的开发时间及成本的降低做出贡献｡

4.产品的结构整合

图3的(1)和(2)表示R2A20114系列的PFC电路构成｡图3(1)的开关器件中使用了IGBT｡



(1) R2A20114 (2) R2A20104

图3.｢R2A20114系列｣的PFC电路构成

4-1.PFC控制IC

在空调和服务器等电器中,由于电流控制所需的电流信息检测器件各不相同,分别对应于此的电流控制规格R2A20114和R2A20104已经产品化生产｡R2A20114面向电流控制部分没有富余空间的空调等,规格使用的是并联电阻(业界首次在连续模式交错方式的PFC控制IC中搭载并联电阻);R2A20104面向功率变换效率已经明确规格化了的服务器､PC等,规格使用的是损失较少的变流器｡由此,所有大功率机器都可以应对｡

两个产品的软件包都有面组装软件包HLQFP-40和SOP-20｡

4-2.面向大功率电源的IGBT

瑞萨科技正在展开作为面向大功率电源的开关器件IGBT——RJP/RJH60系列的产品拓展,该产品能以600V的高耐压值对应各种电流值｡设想它适用于1kW以上的空调(高级机型)､IH烹调加热器､服务器等的电源｡在这种大功率带中,与开时的损失观点相比,对于开关器件来说,IGBT比MOSFET更为适合｡

另外,瑞萨科技的IGBT整合了同行业最高水平的高速开关产品,与PFC控制IC相组合,可以实现效率良好的大功率用电源｡高速开关产品的整合如表1所示｡

表1.瑞萨科技的高速IGBT产品阵容



5.结束语

本文介绍了连续模式交错方式的PFC控制IC——R2A20114系列和IGBT——RJP/RJH60系列产品｡

今后,瑞萨科技将继续通过开发和推广适用于各种用途的PFC控制IC及开关器件产品,为电源线路的省电节能做出贡献｡

■注 記

(注1) 功率因数改善(PFC:Power Factor Correction):

在交流(AC)转换为直流(DC)等时使用的电容器及输入型开关电源中,AC的输入波形对应于电压的正弦波,电流形成脉冲｡为此,由于输入电压和输入电流的波形差异而产生无效的功率,同时产生高调波｡功率因数改善是指为了提高有效功率的比例(功率因数),通过形成与输入电压相同波形的输入电流波形,改善无效功率和高调波的产生｡  

·高调波是指,商用电源中50Hz或60Hz的整数倍正弦波｡高调波电流不仅对机器有影响,而且对商用电力线也产生恶劣影响｡因此,根据国际规定,各国都将对高调波电流的限制进行法律化｡功率因数改善是达到IEC及JIS等标准规格中规定的高调波电流限制规定的手段之一｡

(注2) 连续模式:

在升压线圈电流重叠的状态下,升压线路开关的模式｡

(注3) CSCI (Climate Savers Computing Initiative):  

由Intel Corporation和 Google, Inc.设立的CSCI (通过使用优良功率效率的计算机实现环境保护的计划)中,各个行业､一般消费者､政府､环保团体一致配合,以大幅度提高PC和服务器的功率效率为目标｡

·Climate Savers 是国际环境保护团体WWF的商标或注册商标｡

·Intel､Intel标识是Intel Corporation在美国以及其他国家的商标｡

·Climate Savers Computing Initiative的网址: http://www.climatesaverscomputing.org/japan/about/

(注4) 80 PLUS :

是提高PC､服务器等的电源装置的功率变换效率,并且促进该电源的认证及使用为目的的计划｡  

负荷为20%､50%､100%时,功率变换效率必须为80%以上｡

·80 PLUS的网址: http://www.80plus.org/

(注5) 交错方式:成对的两个升压电路交互工作的方式｡

在一方的升压电路的开关和开关之间,增补另一方电路的开关线路｡相对于只有一个升压电路的单一方式,它可以提高效率,还可以降低输出入电流的脉冲｡

(注6) 临界模式:

从检测出升压线圈的电流为零开始,升压电路进行开关的模式｡

* 其他记载的产品名称､公司名称､品牌都分别归属其所有者｡