Come limitare la corrente di riavvio (re-rush current) nei sistemi PFC

La specifica Modular Hardware System – Common Redundant Power Supply (M-CRPS) recentemente pubblicata richiede che la corrente di riavvio (rerush current) venga limitata quando la tensione di ingresso riprende dopo un calo di tensione o un blackout sull’alimentatore utilizzato nel data center.

In questo articolo, Bosheng Sun di Texas Instruments presenta un metodo economico, semplice e molto efficace per soddisfare il requisito M-CRPS.

Nota: Per rerush current (corrente di riavvio) si intende la corrente transitoria che si verifica dopo una ri-alimentazione, non alla prima accensione assoluta. Per inrush current (corrente di spunto) si intende la corrente transitoria che scorre nel momento in cui un carico elettrico viene alimentato per la prima volta. Dura qualche millisecondo è può essere 5–20 volte la corrente nominale.

Inrush current verso rerush current

La correzione del fattore di potenza (PFC) è necessaria per gli alimentatori front-end (PSU) superiori a 75 W. La correzione del fattore di potenza (PFC) forza la corrente di ingresso a seguire la tensione di ingresso, in modo che il carico elettronico appaia come un resistore. La correzione del fattore di potenza (PFC) di solito ha un condensatore di uscita di grandi dimensioni. Prima dell’avvio, il condensatore di uscita del PFC è completamente scarico. Poiché la struttura del PFC fornisce un percorso di corrente quando V_AC > V_OUT, l’applicazione della tensione AC genererà una corrente elevata, poiché la tensione di ingresso viene essenzialmente applicata direttamente al condensatore di uscita del PFC. Questa corrente è chiamata inrush current.

L’utilizzo di un termistore (R_T) con un coefficiente di temperatura positivo e di un relè meccanico sul lato di ingresso del PFC limiterà la corrente di spunto (inrush current), come mostrato in Figura 1. Durante l’accensione del PFC, il relè è spento. La corrente di spunto è limitata da R_T a un valore basso e il condensatore di uscita del PFC (C_BULK) si carica gradualmente. Una volta che la tensione di uscita (V_OUT) raggiunge il valore di picco della tensione AC (V_AC), la corrente di spunto (inrush current) scende a 0. Quindi il relè si attiva, con R_T bypassato per ridurre le perdite di potenza durante il normale funzionamento.

Figura 1. Utilizzo di un termistore R_T e di un relè per limitare la corrente di spunto (inrush current) del PFC.

La corrente di riavvio (rerush current) è diversa; si verifica durante il normale funzionamento del PFC. Come mostrato in Figura 2, la tensione di ingresso AC si riduce improvvisamente quando il PFC funziona normalmente. Poiché il carico è ancora applicato, il valore V_OUT del PFC potrebbe scendere a un valore inferiore. Quindi, al ritorno della tensione AC, se la tensione di ingresso AC è superiore a V_OUT, si verificherà nuovamente uno spunto di corrente. Questa corrente è chiamata corrente di riavvio (rerush current).

Figura 2. Limite e temporizzazione della corrente di riavvio (rerush current) M-CRPS.

In precedenza, ci si basava esclusivamente sulla capacità dei componenti dello stadio di potenza di gestire la corrente di riavvio (rerush current). I risultati dei test mostrano che la corrente di riavvio può raggiungere valori oltre 10 volte superiori alla corrente di ingresso massima nominale del PFC. Una corrente di riavvio così elevata può danneggiare l’alimentatore o ridurne la durata, motivo per cui la specifica M-CRPS limita la quantità di corrente di riavvio dopo il ritorno della tensione AC.
Il valore quadratico medio della corrente di riavvio deve essere inferiore a cinque volte la corrente massima dell’alimentatore (5 × I_{nominale, RMS}) su mezzo ciclo di frequenza di ingresso e inferiore a 3,5 × I_{nominale, RMS}) su un ciclo di frequenza di ingresso. Inoltre, la corrente di ingresso deve stabilizzarsi a un valore ≤2 × I_nominale,RMS entro due cicli della frequenza di ingresso dopo l’applicazione dell’ingresso AC.
La situazione si complica ulteriormente se si considera il funzionamento della modulazione di larghezza di impulso (PWM) del PFC durante questo periodo. Se il PFC non è ben controllato, potrebbe verificarsi un duty cycle PWM inappropriato al ripristino della tensione AC, con conseguente ulteriore picco di corrente in ingresso che potrebbe superare la specifica M-CRPS. D’altra parte, al ripristino della tensione AC, il PFC deve fornire corrente sufficiente per aumentare la tensione di uscita del PFC al suo livello di regolazione il prima possibile; in caso contrario, V_OUT continuerà a scendere a causa del carico elevato e alla fine attiverà il livello di blocco della sottotensione in ingresso del convertitore DC/DC.
La carica del condensatore di uscita del PFC al ripristino della tensione AC richiederà un’elevata corrente in ingresso, sia dalla corrente di riavvio (rerush current) quando V_IN > V_OUT, sia dal circuito di controllo del PFC quando V_IN < V_OUT.

Questo documento fornisce una soluzione per gestire questa corrente in modo che quando la tensione AC ritorna dal dropout, sia la corrente di rerush (quando V_IN > V_OUT) sia la corrente di non-re-rush (quando V_IN < V_OUT) siano ben controllate e sufficientemente elevate da aumentare rapidamente V_OUT ma senza superare le specifiche del limite M-CRPS.

Metodo di controllo della corrente di riavvio (rerush current)

La Figura 3 illustra il metodo di controllo della corrente di riavvio a basso costo proposto. Ci sono due differenze rispetto alla Figura 1. In primo luogo, R_T è stato spostato dal lato AC al lato DC. In secondo luogo, un transistor a effetto di campo MOSFET, Q5, ha sostituito il tradizionale relè meccanico. Il motivo per cui si sceglie un relè a stato solido è che è necessario accendere e spegnere rapidamente il relè, e un relè meccanico è troppo lento per questo scopo. Inoltre, poiché il MOSFET non può disattivare la tensione AC, viene posizionato sul lato DC. Il limite della corrente di riavvio funziona come nel metodo tradizionale. La prima volta che la tensione di ingresso viene applicata all’alimentatore, R_T limiterà la corrente di riavvio (rerush current). Una volta superata la corrente di riavvio, Q5 si accende e R_T viene bypassato.

Figura 3. La struttura hardware proposta per limitare la corrente di riavvio (rerush current).

La Figura 4 illustra il metodo di controllo della corrente di riavvio (rerush current) proposto. V_AC è la tensione di ingresso del PFC, V_OUT è la tensione di uscita del PFC e I_AC è la corrente di ingresso. Q1 e Q2 sono interruttori ad alta frequenza che funzionano alternativamente come interruttori booster del PFC o come interruttori sincroni in ogni semiciclo AC. La linea AC scende per un periodo di 10 ms e poi torna al suo picco mentre il PFC funziona a pieno carico. Questo è il caso peggiore per la caduta di tensione AC.

Figura 4. Algoritmo di controllo proposto per la limitazione del calo di corrente AC e della corrente di riavvio (rerush current).

Questo è il metodo di controllo della corrente di riavvio:

• A t₀: al rilevamento di una caduta di tensione AC, Q1 e Q2 si disattivano. È inoltre necessario disattivare sia il circuito di tensione che quello di corrente del PFC, poiché se il circuito di tensione e il circuito di corrente continuano a funzionare, i loro integratori si accumuleranno. Quando la tensione AC torna e il PFC si attiva, si verificherà un ampio duty cycle PWM, con conseguente elevato picco di corrente che potrebbe danneggiare l’alimentatore.

• Una volta disattivato il loop di corrente, reimpostarlo a 0 e cancellare la cronologia dell’integratore. Se non si cancella l’integratore, quando la tensione AC torna e il PFC si attiva, il PFC si attiverà con lo stesso ciclo di lavoro PWM prima della caduta di tensione AC e potrebbe non essere il ciclo di lavoro appropriato. Ad esempio, se la caduta di tensione AC si verifica al passaggio per lo zero, il ciclo di lavoro PWM è quasi del 100%. Se la tensione AC torna al picco AC senza un integratore del loop di corrente cancellato, si verificherà un ciclo di lavoro quasi del 100% al picco AC e genererà un forte picco di corrente, che potrebbe danneggiare l’alimentatore. Per il loop di tensione, una volta disattivato, congelarlo per mantenere il suo valore interno. L’uscita del loop di tensione rappresenta il carico e viene utilizzata per la generazione del riferimento del loop di corrente; pertanto, è necessario mantenerne il valore in modo che il carico non cambi durante la caduta di tensione AC.

• A t₁: la tensione AC ritorna. Poiché VAC > VOUT, una corrente di spunto generata caricherà il condensatore di massa. Q1 e Q2 rimangono spenti.

• A t₂: la corrente di riavvio (rerush currente) supera una soglia programmabile e attiva un evento di spegnimento del relè Q5. La corrente di viene quindi limitata da R_T quando Q5 è spento e la sua ampiezza diminuisce rapidamente. Q5 si spegne solo per un periodo di tempo molto breve (ad esempio, 10 µs), quindi si riaccende. Una volta che Q5 si riaccende, la corrente di riavvio aumenta nuovamente fino a superare la soglia. Questo processo si ripete finché la corrente di riavvio non supera più il limite. La Figura 5 mostra il diagramma di flusso per questo processo.

• A t₃: V_AC < V_OUT. Ora è il momento di attivare il PFC. Impostare il riferimento del loop di tensione uguale al valore istantaneo di V_OUT a t₃, quindi attivare il loop di tensione. Successivamente, aumentare gradualmente il riferimento del loop di tensione fino a raggiungere il setpoint normale. Per il loop di corrente, calcolare prima un duty cycle D = (V_OUT – V_AC)/ V_OUT e iniettarlo nel loop di corrente in modo che l’uscita del loop di corrente parta dal D calcolato quando il loop di corrente è attivo. Quindi attivare il loop di corrente. Infine, attivare Q1 e Q2 per consentire il normale funzionamento del PFC.

Figura 5. Diagramma di flusso dell’algoritmo di controllo di accensione e spegnimento. Questo processo si ripete finché V_OUT non supera V_AC.

Risultato del test

Ho testato il metodo proposto su un PFC senza ponte totem-pole da 3,6 kW. La Figura 6 mostra che quando la tensione AC cala, ritorna al suo picco in 10 ms. Il canale 1 (blu) è la forma d’onda della corrente di ingresso del PFC (IIN), mentre il canale 2 (turchese) è il segnale di controllo di accensione e spegnimento del relè. La Figura 7 mostra l’ingrandimento dell’accensione e dello spegnimento del relè.
Durante il periodo di caduta della tensione AC, Q5 rimane acceso. C_BULK eroga continuamente l’energia immagazzinata al carico e V_OUT scende. Dopo il ripristino della tensione AC, poiché il relè è acceso e V_AC > V_OUT, la corrente di riavvio (rerush current) aumenta rapidamente. Una volta che la corrente raggiunge una soglia limite di corrente predefinita (40 A in questo esempio), il relè si spegne e la corrente di riavvio si riduce a un valore molto basso a causa di R_T.
Il relè rimane spento solo per 10 µs, quindi si riaccende. La corrente di riavvio aumenta nuovamente. L’intero processo consente di limitare la corrente di riavvio entro le specifiche M-CRPS, pur continuando a fornire una corrente sostanziale per caricare rapidamente C_BULK. La forma d’onda mostra anche che la corrente non-re-rush, dove V_AC < V_OUT, è ben controllata senza picchi di corrente elevati.

Figura 6. Controllo della corrente di riavvio (rerush current) quando la tensione AC risale dopo la caduta.

La Figura 7 mostra la seconda corrente di riavvio che sale con una pendenza limitata, poiché l’impedenza di ingresso del PFC, inclusa l’impedenza del filtro antidisturbo elettromagnetico e l’impedenza della traccia del circuito stampato, limita la pendenza di salita della corrente. In questo esempio, l’entità della seconda corrente di riavvio non supera la soglia di 40 A; pertanto, il relè si disattiva una sola volta. Se anche la seconda corrente di riavvioo supera la soglia, il relè si disattiva nuovamente.

Figura 7. Ingrandimento della Figura 6 nell’istante di accensione e spegnimento del relè.

Conclusione

L’alimentatore utilizzato nei data center richiede che la corrente di riavvio (rerush current), quando la tensione AC riprende dopo un calo, non superi un limite definito nella specifica M-CRPS. Sostituendo il tradizionale relè meccanico con un dispositivo a stato solido e disattivando/attivando rapidamente quando la corrente di riavvio supera una soglia programmabile, è possibile controllare efficacemente la corrente in modo che non superi il limite specificato nella specifica M-CRPS, ma sia sufficientemente elevata da aumentare rapidamente V_OUT. Inoltre, questo metodo basato su firmware sfrutta la RT esistente, offrendo una soluzione di controllo della corrente di spunto economica ed estremamente efficace.

Riferimenti

1. Modular Hardware System – Common Redundant Power Supply (M-CRPS) Base Specification. Version 1.05 RC5. Open Compute Project: Austin, Texas, Sep. 25, 2024.
2. Texas Instruments. n.d. 3.6kW Single-Phase TotemPole Bridgeless PFC Reference Design with EMeter Functionality. Texas Instruments reference design No. PMP23338. Accessed March 24, 2025

Bosheng Sun è Systems Engineer and Senior Member Technical Staff presso Texas Instruments.