SEK | EUR | USD

Konstruera effektivare effektfaktorkorrigering med halvledare med brett bandgap och digital styrning

Av Jeff Shepard

Bidraget med av Digi-Keys nordamerikanska redaktörer

Effektfaktorkorrigering (PFC) är nödvändigt för att maximera effektiviteten hos nätdrivna utrustningar som AC/DC-strömförsörjning, batteriladdare, batteribaserade energilagringssystem, motordrivningar och avbrottsfri strömförsörjning (UPS). Dess betydelse är så stor att det finns normer som dikterar de lägsta effektfaktornivåerna för specifika typer av elektronisk utrustning.

För att uppfylla dessa regler och samtidigt förbättra den totala prestandan - inom ramen för allt mindre fysiska storlekar - väljer konstruktörer ofta aktiva PFC-konstruktioner som utnyttjar digital styrteknik och bredbandshalvledare som kiselkarbid (SiC) och galliumnitrid (GaN).

Denna artikel går igenom olika begrepp och definitioner för effektfaktorer, inklusive olika definitioner mellan IEEE och IEC och tillhörande standarder. Sedan presenteras lösningar för PFC från leverantörer somSTMicroelectronics, Transform, Microchip Technology ochInfineon Technologies som konstruktörer kan använda för att implementera PFC med hjälp av halvledare med brett bandgap och digital styrning, inklusive användning av utvärderingskort.

Vad är effektfaktorkorrigering och varför behövs det?

Effektfaktor är ett mått på nivån på reaktiv effekt i ett system. Reaktiv effekt är inte verklig effekt utan representerar produkten av spänning och ström som är ur fas med varandra (Figur 1). Eftersom de är ur fas kan de inte bidra effektivt till arbetet, men de utgör ändå en last på nätströmsledningen. Storleken på den reaktiva effekten i ett system är ett mått på ineffektiviteten i energiöverföringen. Aktiv PFC använder effektelektronik för att förändra fasen och/eller formen på strömmen som en last förbrukar för att förbättra effektfaktorn. Att använda PFC ökar den totala systemverkningsgraden.

Bild av effektfaktorn definieras som cosinus θFigur 1: Effektfaktorn definieras som cosinus θ och representerar förhållandet mellan verklig effekt som absorberas av lasten och den skenbara effekten som flyter i kretsen. Skillnaden mellan de två orsakas av den reaktiva effekten. När reaktiv effekt närmar sig noll, ter sig lasten som mer resistiv, den skenbara effekten och den verkliga effekten blir lika stora och effektfaktor blir 1.0. (Bildkälla: Wikipedia)

Dålig effektfaktor kan uppstå i linjära eller icke-linjära laster. Icke-linjära laster snedvrider spänningsvågformen eller strömvågformen eller båda. När det gäller icke-linjära laster kallas det distorsionseffektfaktor.

En linjär last snedvrider inte ingångsvågens form, men kan ändra den relativa tiden (fasen) mellan spänning och ström till följd av dess induktans och/eller kapacitans (Figur 2). Elektriska kretsar som innehåller övervägande resistiva last (t.ex. glödlampor och värmeelement) har en PF på nästan 1,0, men kretsar som innehåller induktiva eller kapacitiva laster (t.ex. switchande effektomvandlare, elmotorer, magnetventiler, transformatorer och lampballaster) kan ha en effektfaktor långt under 1,0.

Bild av momentan och genomsnittlig effekt beräknat utifrån växelspänning och -strömFigur 2: Momentan och genomsnittlig effekt beräknad utifrån växelspänning och -ström med en eftersläpande effektfaktor - dvs. där strömmen släpar efter spänningen - på 0,71 från en linjär last. (Bildkälla: CUI, Inc.)

De flesta elektroniska laster är inte linjära. Exempel på icke-linjära laster är switchande omvandlare och komponenter med ljusbågsurladdning, såsom lysrör, elsvetsaggregat och bågugnar. Eftersom strömmen i dessa system avbryts av en switchhändelse innehåller strömmen frekvenskomponenter som är multiplar av nätsystemets frekvens. Distorsionseffektfaktor är ett mått på hur mycket den harmoniska distorsionen av en lastström minskar genomsnittseffekten som överförs till lasten.

Bild av sinusformad spänning (gul) och icke-sinusformad ström (blå)Figur 3: Sinusformad spänning (gul) och icke-sinusformad ström (blå) ger en distorsionseffektfaktor på 0,75 för denna dators strömförsörjning, vilket är en icke-linjär last. (Bildkälla: Wikipedia)

Skillnaden mellan eftersläpande och ledande effektfaktor

En eftersläpande effektfaktor innebär att strömmen kommer efter (ligger bakom) spänningen, och en ledande effektfaktor innebär att strömmen föregår spänningen. För induktiva laster (t.ex. induktionsmotorer, spolar och vissa lampor) ligger strömmen bakom spänningen, vilket ger en eftersläpande effektfaktor. För kapacitiva laster (t.ex. synkrona kondensorer, kondensatorbanker och elektroniska effektomvandlare) föregår strömmen spänningen, vilket resulterar i en ledande effektfaktor.

Skillnaden mellan eftersläpande eller ledande motsvarar inte ett positivt eller negativt värde. Det negativa och positiva tecknet som föregår ett effektfaktorvärde bestäms av vilken standard som används - IEEE eller IEC.

Effektfaktor och IEEE kontra IEC

Diagrammen i figur 4 visar korrelationen mellan kilowatteffekt (kW), volt-ampere reaktiv effekt (VAr), effektfaktor och induktiva eller kapacitiva laster för både IEEE- och IEC-standarderna. Båda organisationerna använder olika mått för att klassificera effektfaktorn.

Diagram över konventioner för IEC- och IEEE-effektfaktorerFigur 4: Enligt IEC (vänster) är tecknet på effektfaktorn enbart beroende av riktningen för det verkliga effektflödet och oberoende av om lasten är induktiv eller kapacitiv. Enligt IEEE (till höger) är effektfaktortecknet enbart beroende av lastens art (kapacitiv eller induktiv). I detta fall är det oberoende av riktningen på det verkliga effektflödet. (Bildkälla: Schneider Electric)

Enligt IEC (vänster sida i figur 4) är effektfaktortecknet enbart beroende av riktningen för det verkliga effektflödet och oberoende av om lasten är induktiv eller kapacitiv. Enligt IEEE (höger sida av figur 4) är effektfaktortecknet enbart beroende av lastens beskaffenhet (som är kapacitiv eller induktiv). I detta fall är det oberoende av riktningen för det verkliga effektflödet. För en induktiv last är effektfaktorn negativ. För en kapacitiv last är effektfaktorn positiv.

Effektfaktorstandarder

Tillsynsorgan som Europeiska unionen har fastställt harmoniska gränser för att förbättra effektfaktorn. För att uppfylla den gällande EU-standarden EN61000-3-2 (som bygger på IEC 61000-3-2) måste alla switchande strömförsörjningar med uteffekt högre än 75 watt inkludera effektfaktorkorrigering. En 80 PLUS-strömförsörjningscertifiering av EnergyStar kräver en effektfaktor på 0,9 eller mer vid 100 % av märkeffekten och kräver aktiv effektfaktorkorrigering. Den senaste utgåvan av IEC-standarden är när detta skrivs:IEC 61000-3-2: 2018, “Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) - Del 3-2: Gränsvärden - Gränser för övertoner förorsakade av apparater med matningsström högst 16 A per fas). ”

Okorrigerade switchade omvandlare uppfyller inte nuvarande PFC-standarder. En aspekt som påverkar effektfaktorn är vilken typ av AC-ingång som används: enfas eller trefas. Okorrigerade switchade enfasströmförsörjningar har vanligtvis en effektfaktor på cirka 0,65 till 0,75 (med användning av IEEE-konventionen för effektfaktortecken enligt ovan). Detta beror på att de flesta produkter använder en likriktare/kondensatorsektion för att skapa en DC-busspänning. Denna konfiguration drar endast ström vid toppen av varje linjecykel, vilket skapar smala, höga pulser som leder till dålig effektfaktor (se figur 3 ovan).

Okorrigerade switchade 3-fas-omvandlare har en högre effektfaktor, som ofta närmar sig 0,85 (även med IEEE-konventionen för effektfaktortecken). Detta beror på att även om en likriktare/kondensator används för att skapa en DC-busspänning, finns det tre faser som ytterligare förbättrar den totala effektfaktorn. Emellertid kan varken 1- eller 3-fasiga switchade omvandlare uppfylla gällande effektfaktornormer utan en aktiv effektfaktorkorrigeringskrets.

Använda WBG-halvledare och digital styrning för att konstruera aktiv effektfaktorkorrigering

Med hjälp av digitala styrtekniker och halvledare med breda bandgap, såsom GaN och SiC, får konstruktörer nya alternativ för aktiva PFC-kretsar som kan ge högre verkningsgrad och högre effekttäthet, jämfört med aktiva PFC-konstruktioner baserade på analog styrning eller passiva PFC-konstruktioner.

Konstruktörer kan ersätta analoga styrenheter med avancerade digitala styrtekniker eller komplettera analog styrning med ytterligare digitala styrelement, inklusive microcontrollers, för att erhålla maximal PFC-prestanda. I vissa fall kan WBG-halvledare också användas för att förbättra PFC-prestandan.

Billigare komponenter har påskyndat implementeringen av två olika metoder för PFC: fasöverlappande och brygglösa konstruktioner. Varje metodik ger olika fördelar:

  • Fördelar med överlappande PFC:
    • Högre verkningsgrad
    • Förbättrad värmefördelning
    • lägre effektivvärdesström genom PFC-steget
    • Modularitet
  • Fördelar med brygglös effektfaktorkorrigering:
    • Högre verkningsgrad
    • Halverar förlusterna i ingångslikriktningen
    • Förbättrad värmefördelning
    • Högre effekttäthet

3-kanalig överlappande PFC-styrning kombinerar analog och digital styrning

STNRGPF01-styrenheten från STMicroelectronics är en konfigurerbar ASIC som kombinerar digital och analog styrning och kan driva upp till tre kanaler i en överlappande effektfaktorkorrigering (Figur 5). Enheten körs i kontinuerligt ledande läge (CCM) vid fast frekvens med medelströmlägesstyrning och implementerar styrning med blandsignaler (analoga/digitala). Den analoga innerströmslingan utförs med hårdvara, vilket säkerställer reglering cykel-för-cykel. Den yttre spänningsslingan består av en digital PI-regulator (proportionell-integrerande) med snabbt dynamiskt svar.

Funktionsblockschema för STMicroelectronics STNRGPF01 PFC-styrenhetFigur 5: Ett funktionellt blockschema för STNRGPF01 visar den inre analoga styrsektionen (röd) och den yttre digitala styrsektionen (grön) i en överlappande PFC-tillämpning för 3-fas. (Bildkälla: STMicroelectronics)

STNRGPF01 implementerar en flexibel fasbortkoppling som aktiverar rätt antal PFC-kanaler baserat på det faktiska belastningsförhållandet. Med denna funktion kan STNRGPF01 alltid garantera högsta verkningsgrad över ett brett spektrum av lastströmsförhållanden.

Styrenheten implementerar flera funktioner: startströmstyrning, mjukstart, kylning vid strömspikar och statusindikering. Den har också en komplett uppsättning inbyggda skydd mot överspänning, överström och termiska fel.

För att hjälpa konstruktörer att komma igång erbjuder STMicroelectronics ocksåSTEVAL-IPFC01V1 3 kW PFC-energistyrningskortet baserat på STNRGPF01 (Figur 6). Funktioner och specifikationer inkluderar:

  • Ingångsspänningsområde: 90 till 265 V.AC
  • Nätfrekvensomfång: 47 - 63 Hz
  • Maximal uteffekt: 3 kW vid 230 volt
  • Utgångsspänning: 400 volt
  • Effektfaktor:> 0,98 vid 20 % last
  • Total harmonisk distorsion: <5 % vid 20 % last
  • Blandsignalstyrning
  • Switchfrekvens: 111 kHz
  • Reglering cykel-för-cykel (analog strömstyrningsslinga)
  • Framåtkopplingar för ingångsspänning och last
  • Fasbortkoppling
  • Burst-mode-funktion

Bild på blockdiagrammet för STMicroelectronics STEVAL-IPFC01V1Bild 6: STEVAL-IPFC01V1-blockdiagram som visar: 1. I/O-mätsignaler; 2. Analoga kretsar; 3. Effektsteg; 4. Digital styrsektion med den digitala styrenheten STNRGPF01, i en överlappad PFC för 3-fas. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Utöver blandsignalstyrningen på STNRGPF01 inkluderar detta utvärderingskort STW40N60M2 N-kanals, 600 V, 34 A kiseleffekt-MOSFET:ar med låg Qg och PM8834TR-gatedrivkretsar.

Brygglös PFC i totempålsutförande med GaN-FET

Brygglösa PFC-topologier har utvecklats för att eliminera spänningsfall och ineffektivitet i samband med användning av likriktning med diodbryggor. Brygglös PFC i totempålsutförande har möjliggjorts genom framväxten av WBG-halvledare som GaN och SiC (Figur 7). I en konventionell totempåleskonstruktion (a) används två GaN FET:ar och två dioder för nätelskorrigering. I en brygglös modifiering (b) av totempålstyp, är dioderna ersatta med två kisel-MOSFET:ar med låg resistans för att ersätta diodernas ström-spänning-fall (IV) för att förbättra verkningsgraden.

Diagram över två GaN FET och två dioder som används för nätkorrigeringFigur 7: Två GaN FET och två dioder används för nätkorrigering i en konventionell totempålskonstruktion (a). I en modifierad krets (b) är dioderna ersatta med två kisel-MOSFET med låg resistans för att ersätta diodernas ström-spänning-fall, för att förbättra verkningsgraden i den bryggfria totempålen. (Bildkälla: Transphorm)

Den signifikant mindre omvända återhämtningsladdningen (Qrr) för GaN-transistorer med hög elektronmobilitet (HEMT) jämfört med den för kisel-MOSFET:ar gör brygglösa totempålskonstruktioner praktiska (Figur 8). I detta förenklade schema för en totempåls-PFC i CCM är fokus på att minimera konduktionsförlusterna.

Förenklad schematisk bild av en totempåls-PFC i CCM-läge (klicka för att förstora)Figur 8: Förenklat schema för en totempåls-PFC i CCM-läge innefattar två snabbswitchande GaN HEMT (Q1 och Q2) som drivs med en hög pulsbreddsmodulationsfrekvens och fungerar som en boost-omvandlare och två mycket lågresistiva MOSFET (S1 och S2) som drivs med en mycket långsammare nätfrekvens (50/60 Hz). (Bildkälla: Transphorm)

Kretsen består av två snabbswitchande GaN HEMT (Q1 och Q2) och två mycket lågresistiva MOSFET (S1 och S2). Q1 och Q2 drivs med en hög pulsbreddsmodulationsfrekvens (PWM) och fungerar som en boost-omvandlare. S1 och S2 drivs med en mycket långsammare nätfrekvens (50/60 Hz) och fungerar som en synkroniserad likriktare. Den primära strömbanan innefattar endast en snabb switch och en långsam switch utan diodfall. S1 och S2 har rollen av en synkroniserad likriktare, vilket visas i 8 (b) och 8 (c). Under den positiva AC-cykeln är S1 på och S2 av, vilket tvingar AC-neutralledningen att bindas till den negativa polen på DC-utgången. Motsatsen gäller för den negativa cykeln.

För att möjliggöra CCM-drift måste slavtransistorns kroppsdiod fungera som en flyback-diod för att induktorströmmen ska strömma under den döda perioden. Diodströmmen måste dock snabbt reduceras till noll och övergå till omvänt blockeringsläge när huvudströmbrytaren slås på. Detta är den kritiska processen för en totempåls-PFC, som med den höga Qrr i kroppsdioden i Si-MOSFET:ar för högspänning, resulterar i onormala toppar, instabilitet och där till hörande höga switchningsförluster. Den låga Qrr för GaN-switchar gör det möjligt för konstruktörer att ta sig förbi denna barriär.

Konstruktörer kan studera kretsens funktion med hjälp av Transphorms utvärderingskort TDTTP4000W066C för 4 kW brygglös totempåls-PFC . Den använderMA330048 dsPIC33CK256MP506 digital power plug-in module (PIM) från Microchip Technology som styrenhet. Med Transphorms Gen IV (SuperGaN)TP65H035G4WS GaN FET uppnås enfasomvandling med mycket hög verkningsgrad. Användning av Transphorm GaN FET i kretsens snabbswitchande ben och MOSFET med låg resistans i kretsens långsamma switchben, resulterar i förbättrad prestanda och verkningsgrad.

Dubbelriktad totempåls-PFC kombinerar kisel-FET och SiC FET

För konstruktörer av elnätssamverkande elbilar och batteribaserade energilagringssystem erbjuder Infineon utvärderingskortet EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1, en 3300 watt totempåls-PFC med dubbelriktad effektkapacitet (Figur 9). Detta brygglösa totempåls-PFC-kort levererar en hög effekttäthet på 4,4 watt per kubikcentimeter. Totempålen implementerad i EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1-kortet fungerar i CCM i både likriktar- (PFC) och växelriktarläge, med fullständig digital styring med Infineons XMC1000-serie av microcontrollers.

Blockdiagram för Infineon Technologies EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 3300 watts PFC-utvärderingskort i totempålsutförandeFigur 9: Ett blockschema över EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 3300 watts PFC-utvärderingskort i totempålesutförande visar topologin som levererar kortets specificerade effekttäthet på 4,4 watt per kubikcentimeter. (Bildkälla: Infineon Technologies)

Denna totempåles-PFC använder en kombination av InfineonsIMZA65R048M1 64 mΩ, 650 volt, CoolSiC SiC MOSFET:ar och dessIPW60R017C7 17 mΩ, 600 volt, CoolMOS C7 kiseleffekt-MOSFET:ar. Omvandlaren arbetar uteslutande vid hög nätspänning (176 Vrms minimum, 230 Vrms nominellt) i CCM med en switchfrekvens på 65 kHz och uppnår en verkningsgrad på upp till 99 % vid halv last. Andra Infineon-komponenter som används i denna 3300 watt dubbelriktade (PFC/AC-DC och växelriktare/AC-DC) totempålslösning inkluderar:

Slutsats

En låg effektfaktor medför ineffektiviteter i elnätet och i effektomvandlare, vilket gör PFC nödvändigt för en mängd olika nätdrivna utrustningar, med föreskrifter som anger minsta PF-nivå för specifika typer av elektroniska komponenter. För att uppfylla dessa regelkrav samtidigt som man tillgodoser kraven på mindre storlek och ökad prestanda, behöver konstruktörer ett alternativ till enkla och billiga passiva PFC-tekniker.

Som visat kan konstruktörer istället implementera aktiva PFC-konstruktioner med digital styrteknik och WBG-halvledare som SiC och GaN för att uppnå högre effektfaktorer och mer kompakta utföranden.

Rekommenderad läsning

  1. Utveckla effektiva överlappningslösningar för effektfaktorkorrigering
  2. Använda SiC-baserade MOSFET:ar för att förbättra verkningsgraden i omvandlingen

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 utgivaren

Digi-Keys nordamerikanska redaktörer