RON | EUR | USD

Concepeți o corecție mai eficientă a factorului de putere folosind semiconductoarele de bandă largă și controlul digital

By Jeff Shepard

Contributed By Digi-Key's North American Editors

Corecția factorului de putere (PFC) este necesară pentru maximizarea eficienței echipamentelor alimentate de la rețeaua c.a., inclusiv sursele de alimentare c.a./c.c., încărcătoarele de baterii, sistemele de stocare a energiei pe bază de baterii, sistemele de acționare cu motor și sursele de alimentare neîntreruptibile. Importanța acesteia este atât de mare, încât există regulamente care dictează nivelurile minime ale factorului de putere (PF) pentru anumite tipuri de echipamente electronice.

Pentru a respecta aceste reglementări în fața unei presiuni constante de a îmbunătăți performanța generală cu factori de formă din ce în ce mai mici, proiectanții apelează la designuri PFC active care utilizează tehnici de control digital și semiconductoare de bandă largă, precum carbură de siliciu (SiC) și nitrură de galiu (GaN).

Acest articol revizuiește conceptele și definițiile PFC, inclusiv definițiile diferite dintre IEEE și IEC și standardele asociate. Apoi prezintă soluții pentru PFC de la furnizori precum STMicroelectronics, Transphorm, Microchip Technology și Infineon Technologies pe care proiectanții le pot utiliza pentru a implementa PFC folosind semiconductoare de bandă largă și control digital, inclusiv cu utilizarea plăcilor de evaluare.

Ce este corecția factorului de putere și de ce este necesară?

PF este o măsură a nivelului de putere reactivă dintr-un sistem. Puterea reactivă nu este putere adevărată, ci reprezintă impactul volților și al amperilor care sunt defazați unii față de alții (Figura 1). Din moment ce sunt defazați, aceștia nu pot contribui eficient pentru a funcționa, ci încă apar ca o sarcină pe linia de alimentare de la rețea c.a. Cantitatea de putere reactivă dintr-un sistem este o măsură a nivelului de ineficiență a transferului de energie. PFC activă utilizează componentele electronice de alimentare pentru a schimba faza și/sau forma de undă a curentului trasată de o sarcină, pentru a îmbunătăți PF. Utilizarea PFC crește eficiența generală a sistemului.

Imaginea PF este definită ca fiind cosinus de θFigura 1: PF este definit ca fiind cosinus de θ și reprezintă raportul dintre puterea reală absorbită de sarcină și puterea aparentă care circulă prin circuit. Diferența dintre cele două este cauzată de puterea reactivă. În timp ce puterea reactivă se apropie de zero, sarcina pare să fie mai pur rezistivă, puterea aparentă și puterea reală se egalizează, iar PF devine 1,0. (Sursă imagine: Wikipedia)

Un PF slab poate apărea la sarcinile liniare sau neliniare. Sarcinile neliniare distorsionează forma de undă a tensiunii sau forma de undă a curentului, sau ambele. Atunci când sunt implicate sarcini neliniare, acest lucru se numește PF de distorsiune.

O sarcină liniară nu distorsionează forma undei de intrare, ci poate schimba sincronizarea relativă (faza) dintre tensiune și curent, datorită inductanței și/sau capacitanței acesteia (Figura 2). Circuitele electrice care conțin sarcini predominant rezistive (de ex., lămpile incandescente și elementele de încălzire) au un PF de aproximativ 1,0, dar circuitele care conțin sarcini inductive sau capacitive (de ex., convertoarele de putere cu mod de comutare, motoarele electrice, supapele solenoid, transformatoarele și balasturi de lampă) pot avea un PF cu mult sub 1,0.

Imaginea puterii instantanee și medii calculate pe baza tensiunii și intensității c.a.Figura 2: putere instantanee și medie calculată pe baza tensiunii și intensității c.a. cu PF cu întârziere – de ex., atunci când curentul întârzie tensiunea – de 0,71 de la o sarcină liniară. (Sursă imagine: CUI, Inc.)

Majoritatea sarcinilor electronice nu sunt liniare. Exemple de sarcini neliniare sunt convertoarele de putere cu mod de comutare și dispozitivele de descărcare cu arc, precum lămpile fluorescente, aparatele de sudură electrice sau cuptoarele cu arc electric. Deoarece curentul din aceste sisteme este întrerupt printr-o acțiune de comutare, curentul conține componente de frecvență care sunt multipli ai frecvenței sistemului de alimentare. PF de distorsiune măsoară scăderea puterii medii transferate la sarcină, cauzată de distorsiunea armonică a unui curent de sarcină.

Imaginea unei tensiuni sinusoidale (galben) și a unui curent non-sinusoidal (albastru)Figura 3: tensiunea sinusoidală (galben) și curentul non-sinusoidal (albastru) determină un PF de distorsiune de 0,75 pentru această sursă de alimentare pentru computer, care este o sarcină neliniară. (Sursă imagine: Wikipedia)

Diferența între PF de întârziere și de conducere

Un PF de întârziere arată faptul că curentul întârzie tensiunea (este în spatele acesteia), iar un PF de conducere arată faptul că curentul conduce tensiunea (este în fața acesteia). Pentru sarcinile inductive (de ex., motoarele de inducție, bobinele și anumite lămpile), curentul rămâne în spatele tensiunii, producând PF de întârziere. Pentru sarcinile capacitive (de ex., condensatoarele sincrone, băncile de condensatoare și convertoarele electronice de putere), curentul conduce tensiunea, rezultând într-un PF de conducere.

Distincția dintre întârziere și conducere nu reprezintă o valoare pozitivă sau negativă. Semnul negativ sau pozitiv care precede o valoare PF este determinat de standardul utilizat – fie IEEE, fie IEC.

PF și IEEE versus IEC

Schemele din Figura 4 arată corelația dintre kilowații (kW) de putere, puterea reactivă volt-amper (var), factorul de putere și sarcinile inductive sau capacitive, atât pentru standardele IEEE, cât și pentru IEC. Fiecare organizație utilizează măsuri diferite pentru clasificarea PF.

Schema convențiilor referitoare la semnele utilizate pentru factorul de putere IEC și IEEEFigura 4: conform IEC (stânga), semnul factorului de putere depinde exclusiv de direcția fluxului real de putere și nu depinde de tipul de sarcină – inductivă sau capacitivă. Conform IEEE (dreapta), semnul factorului de putere depinde exclusiv de natura sarcinii (adică, inductivă sau capacitivă). În acest caz, este independent de direcția fluxului real de putere. (Sursă imagine: Schneider Electric)

Conform IEC (partea stângă a Figurii 4), semnul PF depinde exclusiv de direcția fluxului real de putere și nu depinde de tipul de sarcină – inductivă sau capacitivă. Conform IEEE (partea dreaptă a Figurii 4), semnul PF depinde exclusiv de natura sarcinii (adică, inductivă sau capacitivă). În acest caz, este independent de direcția fluxului real de putere. Pentru o sarcină inductivă, PF este negativ. Pentru o sarcină capacitivă, PF este pozitiv.

Standarde PF

Autoritățile de reglementare, precum UE, au stabilit limite ale armonicelor, în scopul de a îmbunătăți PF. Pentru a respecta standardul UE actual EN61000-3-2 (care se bazează pe IEC 61000-3-2), toate sursele de alimentare cu mod comutat care au putere de ieșire mai mare de 75 wați trebuie să includă PFC. Certificarea sursei de alimentare 80 PLUS de la EnergyStar solicită un PF de 0,9 sau mai mare, la 100% din puterea nominală de ieșire, și necesită PFC activ. Cea mai recentă ediție a standardului IEC la momentul redactării acestui articol este: IEC 61000-3-2:2018, „Compatibilitate electromagnetică (CEM) - Partea 3-2: Limite - Limite pentru emisiile de curent armonic (curentul absorbit al echipamentelor ≤16 A pe fază).”

Convertoarele de putere cu mod de comutare necorectate nu îndeplinesc standardele PFC actuale. Un aspect care afectează PF este tipul de intrare c.a. utilizat: monofazat sau trifazat. De obicei, sursele de alimentare monofazate cu comutare necorectate au un PF aproximativ între 0,65 și 0,75 (utilizând convenția IEEE pentru semnul PF, descrisă mai sus). Acest lucru se datorează faptului că majoritatea unităților utilizează un circuit front end pentru redresor/condensator, pentru a obține tensiunea magistralei c.c. Această configurație trage curentul doar la vârful fiecărui ciclu de linie, creând impulsuri înguste și ridicate de curent care cauzează un PF slab (consultați Figura 3 de mai sus).

Convertoarele de putere trifazate cu mod de comutare necorectate au un PF mai mare, deseori apropiindu-se de 0,85 (de asemenea, utilizând convenția IEEE pentru semnul PF). Acest lucru se datorează faptului că, deși se utilizează un redresor/condensator pentru a obține tensiunea magistralei c.c., există trei faze care îmbunătățesc în mod suplimentar PF general. Cu toate acestea, nici convertoarele de putere monofazate cu mod de comutare, nici cele trifazate nu pot îndeplini reglementările actuale PF fără utilizarea unui circuit de corecție PF activ.

Utilizarea semiconductoarelor WBG și a controlului digital pentru proiectarea PFC activ

Utilizarea tehnicilor de control digital și a semiconductoarelor de putere cu bandă largă, inclusiv GaN și SiC, oferă proiectanților opțiuni noi pentru circuite PFC active care pot asigura eficiențe mai mari și densități de putere mai mari în comparație cu designurile PFC active bazate pe control analogic sau designurile PFC pasive.

Proiectanții pot înlocui controlerele analogice cu tehnici avansate de control digital sau pot completa controlul analogic cu elemente suplimentare de control digital, inclusiv microcontrolere, pentru a atinge performanța PFC maximă. În unele cazuri se pot utiliza și semiconductoare WBG pentru îmbunătățirea performanței PFC.

Scăderea costului componentelor a impulsionat implementarea a două metode diferite pentru PFC: designuri intercalate și designuri fără punte. Fiecare abordare vine cu un set diferit de beneficii:

  • Beneficii pentru PFC intercalat:
    • Eficiență mai bună
    • Distribuția îmbunătățită a căldurii
    • Curent rms redus în faza PFC
    • Modularitate
  • Beneficii pentru PFC fără punte:
    • Eficiență mai bună
    • Înjumătățește pierderile la rectificarea intrării
    • Distribuția îmbunătățită a căldurii
    • Densitate de putere mai mare

Controlerul PFC intercalat cu trei canale combină controlul analogic și cel digital

Controlerul STNRGPF01 de la STMicroelectronics este un ASIC configurabil care combină controlul digital și cel analogic și care poate acționa până la trei canale într-un PFC intercalat (Figura 5). Dispozitivul funcționează în modul de conducție continuă (CCM) la frecvență fixă, cu un control al modului de curent mediu, și implementează controlul semnalelor mixte (analogic/digital). Bucla internă de curent analogică este realizată cu ajutorul hardware-ului, asigurând reglarea pentru fiecare ciclu. Bucla de tensiune exterioară este realizată printr-un controler digital proporțional-integral (PI) cu răspuns dinamic rapid.

Schema-bloc funcțională a controlerului PFC STNRGPF01 STMicroelectronicsFigura 5: o schemă-bloc funcțională a STNRGPF01 prezintă secțiunea de control analogic intern (roșu) și secțiunea de control digital extern (verde) într-o aplicație cu PFC trifazat intercalat. (Sursă imagine: STMicroelectronics)

STNRGPF01 implementează o strategie flexibilă de reducere a fazelor care duce la numărul corect de canale PFC în funcție de starea reală a sarcinii. Cu această funcție, STNRGPF01 este întotdeauna capabil să garanteze cea mai bună eficiență energetică într-o gamă amplă de cerințe pentru curentul de sarcină.

Controlerul implementează mai multe funcții: controlul curentului de anclanșare, pornirea graduală, gestionarea răcirii în modul cu rafale și indicarea stării. De asemenea, acesta oferă un set complet de protecții încorporate împotriva supratensiunii, supracurentului și defecțiunilor termice.

Pentru a-i ajuta pe proiectanți să înceapă utilizarea acestuia, STMicroelectronics oferă placa de evaluare pentru gestionarea puterii PFC STEVAL-IPFC01V1 de 3 kW, bazată pe STNRGPF01 (Figura 6). Caracteristicile și specificațiile includ:

  • Interval tensiune de intrare: 90 – 265 V c.a.
  • Interval frecvență a liniei: 47 – 63 Hertz (Hz)
  • Putere maximă de ieșire: 3 kW la 230 volți
  • Tensiune de ieșire: 400 volți
  • PF: >0,98 la 20% sarcină
  • Distorsiune armonică totală: <5% la 20% sarcină
  • Control semnale mixte
  • Frecvență de comutare: 111 kilohertzi (kHz)
  • Reglare de la un ciclu la altul (buclă de control analogic al curentului)
  • Tensiune de intrare și reacțiile pozitive ale sarcinii
  • Reducerea fazei
  • Funcționare în modul cu rafale

Imaginea schemei-bloc pentru STEVAL-IPFC01V1 STMicroelectronicsFigura 6: schemă-bloc STEVAL-IPFC01V1 care arată: 1. Semnale de măsurare intrare/ieșire; 2. Circuite analogice; 3. Etapa de alimentare; 4. Secțiunea de control digital cu controlerul digital STNRGPF01; într-un PFC trifazat intercalat. (Sursă imagine: STMicroelectronics)

Pe lângă controlerul de semnale mixte STNRGPF01, această placă de evaluare include MOSFET-uri STW40N60M2 de alimentare cu siliciu, Qg redus, canal N, 600 volți, 34 amperi (A) și CI-uri cu driver de poartă PM8834TR.

PFC cu pol de ieșire în contratimp fără punte cu FET-uri GaN

Topologiile PFC fără punte au fost dezvoltate pentru a elimina căderile de tensiune și ineficiențele asociate cu utilizarea redresării punților diodelor. PFC-urile cu pol de ieșire în contratimp fără punte au devenit posibile odată cu apariția semiconductoarelor de putere WBG, cum ar fi GaN și SiC (Figura 7). Într-un design convențional cu pol de ieșire în contratimp (a) se utilizează două FET-uri GaN și două diode pentru redresarea liniei. Într-o modificare cu pol de ieșire în contratimp (b), diodele sunt înlocuite de două MOSFET-uri cu siliciu de rezistență scăzută, pentru înlocuirea căderilor de curent-tensiune (IV) ale diodelor, în scopul de a îmbunătăți eficiența.

Schema pentru două FET-uri GaN și două diode utilizate pentru redresarea linieiFigura 7: două FET-uri GaN și două diode sunt utilizate pentru redresarea liniei într-un design convențional cu pol de ieșire în contratimp (a); într-un circuit modificat (b), diodele sunt înlocuite de două MOSFET-uri cu siliciu de rezistență scăzută, pentru înlocuirea căderilor de curent-tensiune ale diodelor, în scopul de a îmbunătăți eficiența polului de ieșire în contratimp fără punte. (Sursă imagine: Transphorm)

Încărcarea la recuperarea inversă (Qrr) considerabil mai mică a tranzistoarelor GaN cu mobilitate ridicată a electronilor (HEMT) în comparație cu cea a MOSFET-urilor cu siliciu face ca designurile cu pol de ieșire în contratimp fără punte să fie practice (Figura 8). În această schemă simplificată a unui PFC cu pol de ieșire în contratimp în CCM, accentul este pus pe minimizarea pierderilor de conducție.

Schema simplificată a unui PFC cu pol de ieșire în contratimp în modul CCM (faceți clic pentru a mări imaginea)Figura 8: schema simplificată a unui PFC cu pol de ieșire în contratimp în modul CCM include două HEMT-uri GaN cu comutare rapidă (Q1 și Q2) care funcționează la o frecvență mare de modulație a impulsului în lățime și acționează ca un convertor de ridicare, și două MOSFET-uri cu rezistență foarte scăzută (S1 și S2) care funcționează la o frecvență de linie mult mai lentă (50 Hz/60 Hz). (Sursă imagine: Transphorm)

Circuitul conține două HEMT-uri GaN cu comutare rapidă (Q1 și Q2) și două MOSFET-uri de rezistență foarte scăzută (S1 și S2). Q1 și Q2 funcționează la o frecvență ridicată a modulației impulsului în lățime (PWM) și acționează ca un convertor de ridicare. S1 și S2 funcționează la o frecvență de linie mult mai lentă (50 Hz/60 Hz) și funcționează ca un redresor sincronizat. Calea principală a curentului include un comutator rapid și un comutator lent, fără nicio scădere a diodei. S1 și S2 au rolul unui redresor sincronizat, după cum se ilustrează în 8(b) și 8(c). În timpul ciclului c.a. pozitiv, S1 este pornit, iar S2 este oprit, forțând linia neutră c.a. legată la terminalul negativ la ieșirea c.c. Pentru ciclul negativ se aplică opusul.

Pentru a permite funcționarea CCM, dioda corpului tranzistorului slave trebuie să funcționeze ca o diodă cu retur reductor pentru ca curentul inductorului să circule în timpul perioadei de nefuncționare. Cu toate acestea, curentul diodei trebuie să scadă rapid la zero și să treacă la starea de blocare inversă, odată ce comutatorul master este activat. Acesta este procesul critic pentru un PFC cu pol de ieșire în contratimp, care, datorită valorii Qrr ridicate a diodei corpului MOSFET-urilor cu Si de înaltă tensiune, duce la creșteri anormale, instabilitate și pierderi mari la comutare asociate. Qrr scăzut al comutatoarelor GaN permite proiectanților să depășească această barieră.

Designerii pot studia funcționarea circuitului utilizând placa de evaluare PFC cu pol de ieșire în contratimp fără punte TDTTP4000W066C de 4 kW de la Transphorm. Aceasta utilizează modulul digital de conectare pentru alimentare (PIM) MA330048 dsPIC33CK256MP506 de la Microchip Technology ca și controler. Conversia monofazică de eficiență foarte ridicată este obținută cu FET-urile GaN Gen IV (SuperGaN) TP65H035G4WS de la Transphorm. Folosirea FET-urilor GaN Transphorm în secțiunea de comutare rapidă a circuitului și a MOSFET-urilor de rezistență scăzută în secțiunea de comutare lentă a circuitului duce la performanță și eficiență îmbunătățite.

PFC-ul cu pol de ieșire în contratimp bidirecțional combină FET-uri cu siliciu și FET-uri SiC

Pentru proiectanții vehiculelor electrice cu baterie care interacționează cu rețeaua și ai sistemelor de stocare a energiei pe bază de baterie, Infineon oferă placa de evaluare EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1, un corector de PFC de 3300 wați cu pol de ieșire în contratimp cu funcție de alimentare bidirecțională (Figura 9). Acest PFC cu pol de ieșire în contratimp fără punte asigură o densitate ridicată de putere, de 72 wați pe inch cubic. Polul de ieșire în contratimp implementat în placa EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 funcționează în CCM, atât în mod redresor (PFC), cât și în mod invertor, cu implementarea controlului digital complet, utilizând microcontrolerul din seria XMC1000 Infineon.

Schemă-bloc a plăcii de evaluare PFC EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 de 3300 wați cu pol de ieșire în contratimp de la Infineon TechnologiesFigura 9: o schemă-bloc a plăcii de evaluare PFC cu pol de ieșire în contratimp EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 de 3300 wați prezintă topologia care asigură densitatea specificată a plăcii, de 72 wați pe inch cubic. (Sursă imagine: Infineon Technologies)

Acest PFC cu pol de ieșire în contratimp utilizează o combinație dintre MOSFET-urile CoolSiC SiC IMZA65R048M1 de 64 milliohmi (mΩ), 650 volți și MOSFET-urile de alimentare CoolMOS C7 cu siliciu IPW60R017C7 de 17 mΩ, 600 volți de la Infineon. Convertorul funcționează exclusiv la tensiune de linie ridicată (minim 176 volți rms, 230 volți rms nominal) în CCM cu o frecvență de comutare de 65 kHz și atinge o eficiență de până la 99% la jumătate de sarcină. Dispozitivele Infineon suplimentare utilizate în această soluție bidirecțională cu pol de ieșire în contratimp (PFC/c.a. - c.c. și invertor/c.a. - c.c.) de 3300 wați includ:

  • Drivere de poartă izolate 2EDF7275FXUMA1
  • Controler QR cu retur reductor ICE5QSAGXUMA1 cu MOSFET CoolMOS P7 de 950 volți IPU95R3K7P7 pentru alimentare auxiliară de polarizare
  • Microcontroler XMC1404 pentru implementarea controlului PFC

Concluzie

Un PF scăzut introduce ineficiențe în rețeaua de distribuție a energiei și în convertoarele de putere, PFC devenind astfel necesar pentru o varietate de echipamente alimentate de la rețeaua c.a., cu regulamente care dictează nivelurile minime de PF pentru tipuri specifice de dispozitive electronice. Pentru a respecta aceste regulamente, adresând în același timp nevoia de factori de formă din ce în ce mai mici și performanță ridicată, proiectanții au nevoie de o alternativă la tehnici PFC pasive simple și ieftine.

După cum se vede, proiectanții pot implementa în schimb designuri PFC active folosind tehnici de control digital și semiconductoare WBG, cum ar fi SiC și GaN, pentru a obține PF-uri mai mari și designuri mai compacte.

Lectură recomandată

  1. Crearea soluțiilor de corecție a factorului de putere intercalată și eficientă
  2. Utilizarea MOSFET-urilor pe bază de SiC pentru îmbunătățirea eficienței de conversie a puterii

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.

About this author

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.

About this publisher

Digi-Key's North American Editors