NOK | EUR | USD

Design mer effektiv kraftfaktorkorreksjon ved bruk av bredbåndsgap halvledere og digital kontroll

Av Jeff Shepard

Bidrag fra Digi-Keys nordamerikanske redaktører

Effektfaktorkorreksjon (PFC) er nødvendig for å maksimere effektiviteten til vekselstrømsdrevet utstyr inkludert vekselstrøm / likestrømforsyning, batteriladere, batteribaserte energilagringssystemer, motorstasjoner og avbruddsfri strømforsyning. Dens betydning er slik at det er forskrifter som dikterer minimum effektfaktor (PF) nivåer for bestemte typer elektronisk utstyr.

For å oppfylle disse forskriftene under konstant press for å forbedre den generelle ytelsen innen stadig krympende formfaktorer, vender designere seg til aktive PFC-design som benytter seg av digitale styringsteknikker og halvledere med bred bånd, som silisiumkarbid (SiC) og galliumnitrid ( GaN).

Denne artikkelen gjennomgår PF-konsepter og definisjoner, inkludert forskjellige definisjoner mellom IEEE og IEC og tilhørende standarder. Deretter introduserer den løsninger for PFC fra leverandører somSTMicroelectronics ,Transform ,Microchip-teknologi , ogInfineon Technologies som designere kan bruke til å implementere PFC ved hjelp av halvledere med bred båndgap og digital kontroll, inkludert bruk av evalueringstavler.

Hva er effektfaktorkorreksjon, og hvorfor er det nødvendig?

PF er et mål på nivået av reaktiv effekt i et system. Reaktiv kraft er ikke sann kraft, men representerer innvirkningen av volt og ampere som er utenfor fase med hverandre (figur 1). Siden de er ute av fase, kan de ikke bidra effektivt til arbeidet, men fremdeles fremstå som en belastning på strømforsyningsledningen. Mengden reaktiv effekt i et system er et mål på nivået av ineffektivitet av energioverføring. Aktiv PFC bruker kraftelektronikk for å endre fase og / eller form på gjeldende bølgeform trukket av en belastning for å forbedre PF. Bruk av PFC øker systemeffektiviteten.

Bilde av PF er definert som cosinus av θFigur 1: PF er definert som cosinus av θ og representerer forholdet mellom reell kraft absorbert av lasten og den tilsynelatende kraften som strømmer i kretsen. Forskjellen mellom de to skyldes reaktiv kraft. Når reaktiv kraft nærmer seg null, ser belastningen ut som mer motstandsdyktig, den tilsynelatende effekten og den virkelige kraften blir utjevnet, og PF blir 1.0. (Bildekilde: Wikipedia)

Dårlig PF kan oppstå i lineære eller ikke-lineære belastninger. Ikke-lineære belastninger forvrenger spenningsbølgeformen eller strømbølgeformen, eller begge deler. Når ikke-lineære belastninger er involvert, kalles det forvrengning PF.

En lineær belastning forvrenger ikke formen på inngangsbølgeformen, men kan endre den relative timingen (fase) mellom spenning og strøm på grunn av induktansen og / eller kapasitansen (figur 2). Elektriske kretser som inneholder overveiende resistive belastninger (f.eks. Glødelamper og varmeelementer) har en PF på nesten 1.0, men kretser som inneholder induktive eller kapasitive belastninger (f.eks. Strømomformere i brytermodus, elektriske motorer, magnetventiler, transformatorer og lampe-forkoblinger) kan har en PF godt under 1,0.

Bilde av øyeblikkelig og gjennomsnittlig effekt beregnet fra vekselstrøm og strømFigur 2: Øyeblikkelig og gjennomsnittseffekt beregnet fra vekselstrøm og strøm med en forsinket PF - dvs. der strømmen henger spenningen - på 0,71 fra en lineær belastning. (Bildekilde:CUI, Inc. )

De fleste elektroniske belastninger er ikke lineære. Eksempler på ikke-lineære belastninger er strømomformere i brytermodus og lysbueutladningsenheter som lysrør, elektriske sveisemaskiner eller lysbueovner. Fordi strømmen i disse systemene blir avbrutt av en bryterhandling, inneholder strømmen frekvenskomponenter som er multipler av kraftsystemfrekvensen. Distortion PF er et mål på hvor mye den harmoniske forvrengningen av en laststrøm reduserer den gjennomsnittlige effekten som overføres til lasten.

Bilde av sinusformet spenning (gul) og ikke-sinusformet strøm (blå)Figur 3: Sinusformet spenning (gul) og ikke-sinusformet strøm (blå) gir en forvrengning PF på 0,75 for denne datamaskinens strømforsyning, som er en ikke-lineær belastning. (Bildekilde: Wikipedia)

Forskjellen mellom etterslep og ledende PF

En forsinket PF betegner at strømmen henger (er bak) spenningen, og en ledende PF betegner at strømmen fører (er foran) spenningen. For induktive belastninger (f.eks. Induksjonsmotorer, spoler og noen lamper) henger strømmen bak spenningen og produserer en forsinket PF. For kapasitive belastninger (f.eks. Synkrone kondensatorer, kondensatorbanker og elektroniske effektomformere) fører strømmen spenningen, noe som resulterer i en ledende PF.

Den etterslående eller ledende skillet tilsvarer ikke en positiv eller negativ verdi. Det negative og positive tegnet som går foran en PF-verdi, bestemmes av standarden som brukes - enten IEEE eller IEC.

PF og IEEE kontra IEC

Diagrammene i figur 4 viser sammenhengen mellom kilowatt (kW) effekt, volt-ampere reaktiv (var) effekt, effektfaktor og induktive eller kapasitive belastninger for både IEEE og IEC-standardene. Hver organisasjon bruker forskjellige beregninger for å klassifisere PF.

Diagram over IEC- og IEEE-effektfaktortegnkonvensjonerFigur 4: I henhold til IEC (til venstre) er effektfaktortegnet utelukkende avhengig av retningen på reell kraftstrøm og er uavhengig av at belastningen er induktiv eller kapasitiv. I henhold til IEEE (høyre) er effektfaktortegnet utelukkende avhengig av lastens natur (som er kapasitiv eller induktiv). I dette tilfellet er det uavhengig av retning av reell kraftflyt. (Bildekilde: Schneider Electric)

I følge IEC (venstre side av figur 4) er PF-tegnet utelukkende avhengig av retningen på reell kraftstrøm og er uavhengig av at belastningen er induktiv eller kapasitiv. I følge IEEE (høyre side av figur 4) er PF-tegnet utelukkende avhengig av lastens beskaffenhet (som er kapasitiv eller induktiv). I dette tilfellet er det uavhengig av retningen til reell kraftstrøm. For en induktiv belastning er PF negativ. For en kapasitiv belastning er PF positiv.

PF-standarder

Tilsynsmyndigheter som EU har satt harmoniske grenser for å forbedre PF. For å overholde gjeldende EU-standard EN61000-3-2 (som er basert på IEC 61000-3-2), må alle strømforsyninger i koblet modus med utgangseffekt på mer enn 75 watt inkludere PFC. 80 PLUS strømforsyningssertifisering fra EnergyStar krever en PF på 0,9 eller mer ved 100% av nominell utgangseffekt og krever aktiv PFC. Den siste utgaven av IEC-standarden i skrivende stund er:IEC 61000-3-2: 2018 , “Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) - Del 3-2: Grenser - Grenser for harmonisk strømutslipp (inngangsstrøm for utstyr ≤16 A per fase ). ”

Ikke-korrigerte strømomformere i brytermodus oppfyller ikke gjeldende PFC-standarder. En betraktning som påvirker PF er hvilken type AC-inngang som brukes: enfase eller trefase. Enfasede ukorrigerte koblingsstrømforsyninger har vanligvis en PF på omtrent 0,65 til 0,75 (ved bruk av IEEE-konvensjonen for PF-tegn beskrevet ovenfor). Dette er fordi de fleste enheter bruker en likeretter / kondensatorfront for å lage en DC-busspenning. Denne konfigurasjonen trekker bare strøm på toppen av hver linjesyklus, og skaper smale, høye pulser med strøm som resulterer i dårlig PF (se figur 3 ovenfor).

Tre-fase ukorrigerte brytermodus-kraftomformere har en høyere PF, ofte nærmer seg 0,85 (bruker også IEEE-konvensjonen for PF-tegn). Dette er fordi selv om en likeretter / kondensator brukes til å lage en DC-busspenning, er det tre faser som ytterligere forbedrer den totale PF. Imidlertid kan verken enkelt- eller trefasebryter-modus-omformere oppfylle gjeldende PF-forskrifter uten bruk av en aktiv PF-korreksjonskrets.

Bruke WBG halvledere og digital kontroll for å designe aktiv PFC

Bruken av digitale kontrollteknikker og brede båndgap-halvledere, inkludert GaN og SiC, gir designere nye muligheter for aktive PFC-kretser som kan gi høyere effektivitet og høyere effekttetthet sammenlignet med aktive PFC-design basert på analog kontroll eller passiv PFC-design.

Designere kan erstatte analoge kontrollere med avanserte digitale kontrollteknikker eller supplere analog kontroll med ekstra digitale kontrollelementer, inkludert mikrokontrollere, for å oppnå maksimal PFC-ytelse. I noen tilfeller kan WBG-halvledere også brukes til å forbedre PFC-ytelsen.

Fallende komponentkostnader har skyndt på implementeringen av to forskjellige metoder for PFC: sammenflettet design og brofri design. Hver tilnærming gir forskjellige fordeler:

  • Interleaved PFC fordeler:
    • Høyere effektivitet
    • Forbedret varmefordeling
    • Redusert rms-strøm gjennom PFC-scenen
    • Modularitet
  • Bridgeless PFC fordeler:
    • Høyere effektivitet
    • Halverer tapene i inngangsretting
    • Forbedret varmefordeling
    • Høyere effekttetthet

Tre-kanals sammenflettet PFC-kontroller kombinerer analog og digital kontroll

DeSTNRGPF01 kontroller fra STMicroelectronics er en konfigurerbar ASIC som kombinerer digital og analog kontroll og kan kjøre opptil tre kanaler i en sammenflettet PFC (figur 5). Enheten fungerer i kontinuerlig ledningsmodus (CCM) med fast frekvens med gjennomsnittlig strømmoduskontroll og implementerer blandet signal (analog / digital) kontroll. Den analoge indre strømsløyfen utføres av maskinvare, noe som sikrer regulering av syklus for syklus. Den ytre spenningssløyfen utføres av en digital proporsjonal-integrert (PI) kontroller med rask dynamisk respons.

Funksjonelt blokkskjema for STMicroelectronics STNRGPF01 PFC-kontrollerenFigur 5: Et funksjonelt blokkskjema for STNRGPF01 viser den indre analoge kontrollseksjonen (rød) og den ytre digitale kontrollseksjonen (grønn) i en trefaset sammenflettet PFC-applikasjon. (Bildekilde: STMicroelectronics)

STNRGPF01 implementerer en fleksibel faseutkastingsstrategi som muliggjør riktig antall PFC-kanaler basert på den faktiske belastningstilstanden. Med denne funksjonen er STNRGPF01 alltid i stand til å garantere den høyeste effektiviteten over et bredt spekter av laststrømkrav.

Kontrolleren implementerer flere funksjoner: startstrømstyring, myk oppstart, kjølestyring i burst-modus og statusindikasjon. Den har også et komplett sett med innebygd beskyttelse mot overspenning, overstrøm og termiske feil.

For å hjelpe designere i gang, tilbyr STMicroelectronics ogsåSTEVAL-IPFC01V1 3 kW PFC-strømstyringsevalueringskort basert på STNRGPF01 (figur 6). Funksjoner og spesifikasjoner inkluderer:

  • Inngangsspenningsområde: 90 til 265 V.AC
  • Linjefrekvensområde: 47 til 63 Hertz (Hz)
  • Maksimal utgangseffekt: 3 kW ved 230 volt
  • Utgangsspenning: 400 volt
  • PF:> 0,98 ved 20% belastning
  • Total harmonisk forvrengning: <5% ved 20% belastning
  • Mixed-signal kontroll
  • Byttefrekvens: 111 kilohertz (kHz)
  • Syklus-for-syklus-regulering (analog strømstyringsløkke)
  • Inngangsspenning og fremføring
  • Fasekasting
  • Burst-modus-drift

Bilde av STMicroelectronics STEVAL-IPFC01V1 blokkdiagramFigur 6: STEVAL-IPFC01V1 blokkdiagram som viser: 1. I / O-målesignaler; 2. Analoge kretser; 3. Power scene; 4. Digital kontrollseksjon med STNRGPF01 digital kontroller; i en trefaset sammenflettet PFC. (Bildekilde: STMicroelectronics)

I tillegg til STNRGPF01 blandet signalkontroller, inkluderer dette evalueringskortetSTW40N60M2 N-kanal, 600 volt, 34 ampere (A) lav Qg silisiumeffekt MOSFETS ogPM8834TR gate driver ICs.

Bridgeless totempål PFC med GaN FETs

Bridgeless PFC-topologier ble utviklet for å eliminere spenningsfall og ineffektivitet knyttet til bruken av dioderbroretting. Bridgeless totempol PFC har blitt aktivert av fremveksten av WBG-halvledere som GaN og SiC (figur 7). I en konvensjonell totempoledesign (a) brukes to GaN FET og to dioder til linjekorrigering. I en broløs totempolsmodifisering (b) erstattes diodene med to MOSFET-er med lav motstandssilisium for å erstatte diodenes strømspenning (IV) for å forbedre effektiviteten.

Diagram over to GaN FET og to dioder brukes til linjekorrigeringFigur 7: To GaN FETs og to dioder brukes til linjekorrigering i en konvensjonell totempoledesign (a); i en modifisert krets (b), blir diodene erstattet av to MOSFET-er med lav motstandssilisium for å erstatte diodenes strømspenningsfall for å forbedre effektiviteten i den broløse totempolen. (Bildekilde: Transphorm)

Den vesentlig mindre omvendte gjenopprettingsladningen (Qrr) for GaN-høyrelektronmobilitetstransistorer (HEMT) sammenlignet med den for silisium-MOSFET-er, gjør broeløs totempoledesign praktisk (figur 8). I dette forenklede skjemaet for en totempol PFC i CCM er fokuset på å minimere ledningstap.

Forenklet skjema for en totempolet PFC i CCM-modus (klikk for å forstørre)Figur 8: Forenklet skjema for en totempolet PFC i CCM-modus består av to hurtigskiftende GaN HEMT (Q1 og Q2) som opererer med en høy pulsbreddemodulasjonsfrekvens og fungerer som en boost-omformer, og to MOSFETer med veldig lav motstand (S1 og S2) som opererer med en mye langsommere linjefrekvens (50Hz / 60Hz). (Bildekilde: Transphorm)

Kretsen består av to hurtigskiftende GaN HEMTer (Q1 og Q2) og to MOSFETer med veldig lav motstand (S1 og S2). Q1 og Q2 opererer med en PWM-frekvens med høy pulsbredde og fungerer som en boost-omformer. S1 og S2 fungerer med en mye langsommere linjefrekvens (50 Hz / 60 Hz) og fungerer som en synkronisert likeretter. Den primære strømbanen inkluderer en rask bryter og en langsom bryter, uten diodefall. Rollen til S1 og S2 er den som en synkronisert likeretter, som illustrert i 8 (b) og 8 (c). I løpet av den positive vekselstrømssyklusen er S1 på og S2 er av, noe som tvinger vekselstrømsnøytral ledning bundet til den negative terminalen til DC-utgangen. Det motsatte gjelder for den negative syklusen.

For å tillate CCM-drift må kroppsdioden til slave-transistoren fungere som en tilbakeslagsdiode for at induktorstrømmen skal strømme i løpet av dødtid. Diodestrømmen må imidlertid raskt reduseres til null og overgang til omvendt blokkeringstilstand når hovedbryteren slås på. Dette er den kritiske prosessen for en totempolet PFC, som med den høye Qrr i kroppsdioden av høyspennings Si MOSFETs, resulterer i unormale pigger, ustabilitet og tilhørende høye koblingstap. Den lave Qrr av GaN-bryterne gjør at designere kan overvinne denne barrieren.

Designere kan studere kretsens drift ved hjelp av TransphormTDTTP4000W066C 4 kW bridgeless totem-pole PFC evalueringstavle. Den brukerMA330048 dsPIC33CK256MP506 digital strømtilleggsmodul (PIM) fra Microchip Technology som kontroller. Svært høy effektivitet enfasekonvertering oppnås med Transphorms Gen IV (SuperGaN)TP65H035G4WS GaN FETs. Bruk av Transphorm GaN FET i kretsløpet og bryter med MOSFET med lav motstand i kretsen med langsom omkobling gir forbedret ytelse og effektivitet.

Toveis totempol PFC kombinerer silisium-FET-er og SiC-FET-er

For designere av nettinteraktive batteribiler og batteribaserte energilagringssystemer, tilbyr InfineonEVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 evalueringstavle, en 3300 watt totempolet PF-korrigerer med toveis krafteffekt (figur 9). Dette brofrie totempol PFC-kortet leverer en høy effekttetthet på 72 watt per kubikkmeter. Totempolen implementert i EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1-kortet opererer i CCM i både likeretter (PFC) og inverter-modus, med full digital kontrollimplementering ved hjelp av InfineonXMC1000 serie mikrokontroller.

Blokkdiagram over Infineon Technologies EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 3300 watt totempolet PFC evalueringskortFigur 9: Et blokkskjema over EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 3300 watt totempolet PFC-evalueringskort viser topologien som leverer kortets spesifiserte 72 watt per kubikkcentimeter effekttetthet. (Bildekilde: Infineon Technologies)

Denne totempolen PFC bruker en kombinasjon av InfineonIMZA65R048M1 64 milliohm (mΩ), 650 volt, CoolSiC SiC MOSFETs og densIPW60R017C7 17 mΩ, 600 volt, CoolMOS C7 MOSFETs med silisiumkraft. Omformeren fungerer utelukkende ved høy linje (176 volt rms minimum, 230 volt rms nominell) i CCM med en koblingsfrekvens på 65 kHz og oppnår effektivitet opptil 99% ved halv belastning. Ytterligere Infineon-enheter som brukes i denne 3300 watt toveis (PFC / AC-DC og inverter / AC-DC) totempolsløsning inkluderer:

Konklusjon

En lav PF introduserer ineffektivitet i strømnettet og i kraftomformere, noe som gjør PFC nødvendig for en rekke strømnettet utstyr, med forskrifter som dikterer minimum PF-nivåer for bestemte typer elektroniske enheter. For å oppfylle disse regulatoriske kravene, samtidig som de adresserer behovet for mindre formfaktorer og økt ytelse, trenger designere et alternativ til enkle og rimelige passive PFC-teknikker.

Som vist kan designere i stedet implementere aktive PFC-design ved hjelp av digitale kontrollteknikker og WBG-halvledere som SiC og GaN for å oppnå høyere PF-er og mer kompakte design.

Anbefalt lesing:

  1. Design av effektive sammenflettede løsninger for korrigering av kraftfaktorer
  2. Bruk SiC-baserte MOSFET-er for å forbedre effektiviteten for strømkonvertering

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Om skribenten

Jeff Shepard

Jeff has been writing about power electronics, electronic components, and other technology topics for over 30 years. He started writing about power electronics as a Senior Editor at EETimes. He subsequently founded Powertechniques, a power electronics design magazine, and later founded Darnell Group, a global power electronics research and publishing firm. Among its activities, Darnell Group published PowerPulse.net, which provided daily news for the global power electronics engineering community. He is the author of a switch-mode power supply text book, titled “Power Supplies,” published by the Reston division of Prentice Hall.

Jeff also co-founded Jeta Power Systems, a maker of high-wattage switching power supplies, which was acquired by Computer Products. Jeff is also an inventor, having his name is on 17 U.S. patents in the fields of thermal energy harvesting and optical metamaterials and is an industry source and frequent speaker on global trends in power electronics. He has a Masters Degree in Quantitative Methods and Mathematics from the University of California.

Om denne utgiveren

Digi-Keys nordamerikanske redaktører