Схема коррекции коэффициента мощности (PFC) - Учебное пособие

В сообщении подробно описаны различные методы настройки схемы коррекции коэффициента мощности или схемы PFC в проектах SMPS, а также объясняются лучшие практические варианты для этих топологий, чтобы они соответствовали современным руководящим принципам ограничения PFC.

Разработка эффективных схем питания никогда не была простой задачей, однако со временем исследователи смогли решить большинство проблем, и точно так же современные конструкции SMPS также оптимизируются с наилучшими возможными результатами благодаря появляющиеся нормативные стандарты, которые сыграли важную роль в обеспечении более строгих параметров качества для современных блоков питания.

Рекомендации по PFC

Современные ограничения по качеству электроснабжения устанавливаются довольно жестко, коллективными усилиями производителей, поставщиков и других заинтересованных органов управления.

Среди множества параметров качества, установленных для современных источников питания, коррекция коэффициента мощности (PFC), которая фактически осуществляется в форме подавления гармоник, была объявлена ​​в качестве обязательного требования правилами IEC 61000-3-2.

Из-за этого проектировщики вынуждены сталкиваться с более серьезными проблемами при разработке каскадов коррекции коэффициента мощности в своих конструкциях источников питания, чтобы соответствовать этим строгим современным законам, а источники питания становятся все более и более внушительными по своим характеристикам и диапазону применения, структурируя правильные схемы PFC. не становится легче для многих производителей на арене.

Представленные уроки специально предназначены для всех тех ассоциаций и профессионалов, которые занимаются производством или проектирование ИИП обратного хода для облегчения их работы с наиболее идеальными конструкциями и расчетами PFC в соответствии с их индивидуальными требованиями.

Обсуждения, включенные в эти учебные пособия, помогут вам разработать схемы PFC даже для значительно больших устройств в диапазоне до 400 Вт, 0,75 А.

Читатели также получат возможность узнать о выборе одноступенчатых изолированных преобразователей, которые также включают в себя драйверы светодиодов. Пошаговое руководство по проектированию и инструкции вместе со сравнениями на уровне системы, многие разработчики, активно участвующие в области силовой электроники, будут ознакомлены с применять наиболее оптимальный подход к их конкретным потребностям приложения

Цель коррекции коэффициента мощности

Оптимизация схемы коррекции коэффициента мощности в современных модулях SMPS (импульсный источник питания) могла развиться в недавнем прошлом из-за появления ряда усовершенствованных соответствующих интегральных схем (ИС), которые позволили создать различные конструкции PFC, имеющие определенные режимы работы и с возможностью индивидуального решения проблем.

С увеличением диапазона топологий SMPS сложность проектирования и реализации PFC в настоящее время также усугубляется.

В первом уроке мы узнаем о рабочих деталях конструкции, которые в большинстве своем предпочитают любые профессионалы.

По сути, коррекция коэффициента мощности помогает оптимизировать входной ток в автономных источниках питания, чтобы они могли повысить реальную мощность от доступной входной сети.

Согласно нормальному требованию данный электроприбор должен имитировать себя как нагрузку, имеющую чистое удельное сопротивление, так что это позволяет ему иметь нулевое потребление реактивной мощности.

Это условие приводит к генерации почти нулевых входных гармонических токов, другими словами, оно позволяет потребляемому току быть идеально синфазным с входным напряжением питания, которое обычно имеет форму синусоидальной волны.

Это достижение позволяет прибору потреблять «реальную мощность» из сети на наиболее оптимальных и эффективных уровнях, что, в свою очередь, приводит к минимизации потерь электроэнергии и повышению ее эффективности.

Такое эффективное использование электроэнергии не только помогает устройству представить себя наиболее эффективным образом, но также для коммунальных предприятий и задействованного основного оборудования для процесса.

Вышеупомянутая функция, кроме того, позволяет освободить линии электропередач от гармоник и возникающих в результате помех между устройствами в сети.

Помимо вышеупомянутых преимуществ, включение PFC в современные блоки питания также соответствует нормативным требованиям, установленным в Европе и Японии с IEC61000-3-2, которому должно соответствовать все электрическое оборудование.

Вышеупомянутое условие регулируется для большинства электронных устройств, которые могут иметь номинальную мощность более 75 Вт в соответствии со стандартами оборудования класса D или даже выше, определяя наивысшую амплитуду гармоник линейной частоты в диапазоне до 39-й гармоники.

Помимо этих стандартов, PFC также используется для обеспечения других видов эффективности, таких как Energy Star 5.0, жизненно важная для компьютеров, и Energy Star 2.0 для систем электропитания и телевизоров с 2008 года.

Определение коэффициента мощности

PFC или коррекция коэффициента мощности может быть определена как отношение реальной мощности к полной мощности и выражается как:

PF = активная мощность / кажущаяся мощность, где активная мощность выражается в
Ватты, а полная мощность выражается в ВА.

В этом выражении реальная мощность определяется как среднее значение мгновенного произведения тока и напряжения по фазе или циклу, в то время как полная мощность рассматривается как действующее значение тока, умноженное на напряжение.

Это говорит о том, что всякий раз, когда ток и напряжение синусоидальны и совпадают по фазе друг с другом, результирующий коэффициент мощности равен 1,0.

Однако в условиях, когда ток, параметры напряжения синусоидальны, но не совпадают по фазе, возникает коэффициент мощности, являющийся косинусом фазового угла.

Условия коэффициента мощности, описанные выше, применяются в тех случаях, когда напряжение и ток являются чистыми синусоидальными волнами, в сочетании с ситуацией, когда сопутствующая нагрузка состоит из резистивных, индуктивных и емкостных компонентов, которые могут быть нелинейными по своей природе, т.е. не регулируется параметрами входного тока и напряжения.

Топологии SMPS обычно вносят нелинейный импеданс в линию электросети из-за объясненного выше характера его схемы.

Как работает SMPS

Схема SMPS в основном включает в себя выпрямительный каскад на входе, который может быть полуволновым или двухполупериодным выпрямителем, и дополнительный фильтрующий конденсатор для удержания выпрямленного напряжения на нем на пиковом уровне входной синусоидальной волны до момента следующего пика. появляется синусоида, которая повторяет цикл зарядки этого конденсатора, в результате чего на нем возникает необходимое пиковое постоянное напряжение.

Этот процесс зарядки конденсатора в каждом пиковом цикле переменного тока требует, чтобы вход был снабжен током, достаточным для удовлетворения нагрузки, потребляемой SMPS, между этими пиковыми интервалами.

Цикл реализуется путем быстрого сброса большого тока в конденсатор, который прикладывается к нагрузке путем разрядки до наступления следующего пикового цикла.

Для такой неравномерной схемы заряда и разряда рекомендуется, чтобы импульсный ток от конденсатора был на 15% выше среднего требования нагрузки.

На рисунке выше видно, что, несмотря на значительные искажения, параметры напряжения и тока явно находятся в фазе друг с другом.

Однако, если мы применим термин «косинус фазового угла» к вышеизложенному, это приведет к неправильному выводу о том, что источник питания имеет коэффициент мощности 1,0.

Верхняя и нижняя формы волны указывают количество гармоник тока.

Здесь «содержание основной гармоники» указывается в сравнении с амплитудой 100%, а высшие гармоники представлены как дополнительные проценты от основной амплитуды.

Однако, поскольку реальная мощность определяется только основной составляющей, в то время как другие дополнительные гармоники представляют только полную мощность, фактический коэффициент мощности может быть значительно ниже 1,0.

Мы называем это отклонение термином «коэффициент искажения», который в основном отвечает за возникновение коэффициента мощности, отличного от единицы, в модулях SMPS.

Выражение реальной и кажущейся мощности

Общее выражение, которое касается связи между реальной и полной мощностью, может быть представлено следующим образом:

Где cosΦ формирует коэффициент смещения, возникающий из фазового угла Φ между формами сигнала тока / напряжения, а cosΦ означает коэффициент искажения.

Обращаясь к диаграмме ниже, мы можем наблюдать ситуацию, которая показывает идеальную коррекцию коэффициента мощности.

Мы можем видеть, что здесь форма волны тока совершенно идеально воспроизводит форму волны напряжения, поскольку оба, очевидно, работают синфазно и синхронно друг с другом.

Поэтому здесь можно принять гармоники входного тока почти равными нулю.

Коррекция коэффициента мощности против снижения гармоник

Глядя на предыдущие иллюстрации, становится очевидным, что коэффициент мощности и низкие гармоники работают синхронно друг с другом.

Обычно считается, что если указаны пределы для соответствующих гармоник, это может помочь ограничить загрязнение входного тока в линиях электропередачи путем устранения мешающих токовых помех другим приборам, находящимся поблизости.

Следовательно, хотя обработку входного тока можно назвать «коррекцией коэффициента мощности», выходная величина уточнения, хотя эта обработка понимается как гармоническая составляющая в соответствии с международными руководящими принципами.

Для топологий SMPS это обычно элемент смещения, который приблизительно равен единице, что приводит к следующим соотношениям между коэффициентом мощности и гармоническими искажениями.

В выражении THD представляет полное гармоническое искажение как квадратичную сумму вредных гармоник по основному содержанию, выражая относительный вес ассоциированного гармонического содержания по отношению к основному аналогу. Другое уравнение связывает абсолютное значение THD и не в процентном соотношении, что означает, что THD должен быть практически равен нулю, чтобы создать единичный коэффициент мощности.

Типы коррекции коэффициента мощности

Характеристика формы входного сигнала на приведенном выше рисунке демонстрирует типичный «активный» тип коррекции коэффициента мощности для устройства SMPS, введенный между конфигурацией входного выпрямителя и конденсатором фильтра, а также через интегральную схему PFC, управляющую процессом, вместе с соответствующей схемой для гарантируя, что входной ток когезионно следует форме волны входного напряжения.

Этот тип обработки можно рассматривать как наиболее распространенный тип PFC, используемый в современных схемах SMPS, что можно увидеть на рисунке ниже.

Сказав это, ни в коем случае не обязательно, чтобы для предлагаемого PFC использовались только «активные» версии с использованием ИС и полупроводников. Обычно приветствуются другие формы конструкции, которые могут гарантировать разумное количество PFC ниже установленных нормативов.

Было замечено, что на самом деле одиночный индуктор, заменяющий положение «активного» аналога, способен достаточно удовлетворительно подавлять гармоники, контролируя пики и достаточно эффективно распределяя ток синхронно с входным напряжением.

Пассивный дизайн PFC

Однако для этой формы пассивного управления PFC может потребоваться значительно громоздкий индуктор с железным сердечником, и поэтому он может использоваться в приложениях, в которых компактность не является решающим требованием. (стр.12)

Пассивный одиночный индуктор может показаться быстрым решением для PFC, но для приложений с высокой мощностью его размер может стать неинтересным из-за его непрактично больших размеров.

На приведенном ниже графике мы можем наблюдать входные характеристики трех вариантов ПК SMPS мощностью 250 Вт, каждый из которых представляет форму волны тока с эквивалентным масштабным коэффициентом.

Мы легко можем видеть, что результат, полученный от PFC на основе пассивного дросселя, на 33% выше пиков тока, чем с активным аналогом фильтра PFC.

Несмотря на то, что он может соответствовать стандартам IEC61000-3-2, он определенно не будет соответствовать недавнему более строгому правилу требований 0.9PF и не соответствует уровню приемлемости QC, установленному в соответствии с этими новыми стандартами.

Базовая блок-схема

В связи с продолжающейся тенденцией на рынке электроники, когда мы можем наблюдать рост цен на медь вместе с ростом производства магнитных сердечников и внедрением современных, гораздо более дешевых полупроводниковых материалов, не будет сюрпризом, если мы заметим активный подход PFC. становится более популярным, чем пассивный аналог.

И эта тенденция может стать еще более сильной в ближайшем будущем, представляя все более и более совершенные и усовершенствованные решения PFC для многих разработчиков и производителей SMPS.

Сравнение гармоник входной линии со стандартами IEC610003-2

На рисунке ниже мы можем видеть следы трех отдельных результатов SMPS для ПК мощностью 250 Вт со ссылкой на ограничения IEC6000-3-2. Указанное ограничение действует для всех гаджетов класса D, таких как ПК, телевизоры и их мониторы.

Показанный предел содержания гармоник фиксируется в соответствии с входной мощностью устройств. Для продуктов, связанных с осветительными приборами, такими как светодиодные фонари, лампы CFL, обычно соблюдаются ограничения класса C, которые идентичны их предельным значениям входной мощности.

Для других нетрадиционных электронных продуктов предел PFC устанавливается пропорционально минимальной входной мощности 600 Вт.

Если мы посмотрим на кривую пассивной коррекции коэффициента мощности, то обнаружим, что она вряд ли соответствует установленному пределу ограничений, просто ситуация типа «прикосновение и уход» (на гармонике no3)

Анализ пассивных функций PFC

На следующем рисунке мы можем увидеть классический пример схемы пассивной коррекции коэффициента мощности, разработанной для традиционного блока питания ПК. Примечательным здесь является соединение центрального отвода индуктора PFC с входным линейным входным напряжением.

В режиме выбора 220 В (переключатель разомкнут) задействованы все две части индуктора, при этом выпрямительная сеть работает как полная мостовая выпрямительная схема.

Однако в режиме 110 В (переключатель замкнут) только 50% или половина катушки используется через левую боковую секцию катушки, в то время как секция выпрямителя теперь преобразована в схему удвоителя полуволнового выпрямителя.

Поскольку выбор 220 В должен генерировать около 330 В после двухполупериодного выпрямления, это формирует вход шины для SMPS и обладает возможностью значительных колебаний в соответствии с входным линейным напряжением.

Пример принципиальной схемы

Хотя эта пассивная конструкция PFC может выглядеть довольно простой и впечатляющей по своим характеристикам, она может иметь несколько заметных недостатков.

Наряду с громоздкостью PFC, на его работу влияют еще две вещи: во-первых, наличие механического переключателя, который делает систему уязвимой для возможной ошибки человека при работе с устройством, а также связанные с этим проблемы износа.

Во-вторых, отсутствие стабилизации линейного напряжения приводит к относительной неэффективности с точки зрения экономической эффективности и точности преобразования мощности постоянного тока в постоянный, связанной с выходом PFC.

Контроллеры режима критической проводимости (CrM)

Этап контроллера, называемый критическим режимом проводимости, который также называют переходным режимом или контроллером пограничного режима проводимости (BCM), представляет собой конфигурации схем, которые могут эффективно использоваться в приложениях осветительной электроники. Несмотря на простоту использования, эти контроллеры относительно дороги.

На следующей схеме 1-8 показана схема обычного контроллера CrM.

Обычно PFC контроллера CrM имеет схему, показанную выше, которую можно понять с помощью следующих пунктов:

Вход стадии опорного умножителя принимает сигнал надлежащим образом с размерами от соответствующего выходного сигнала усилителя ошибки, имеющего низкий частотный полюс.

Можно увидеть, что на другой вход умножителя ссылается стабилизированное фиксированное напряжение постоянного тока, извлекаемое из выпрямленного линейного входа переменного тока.

Таким образом, в результате выходной сигнал от умножителя является продуктом относительного постоянного тока с выхода усилителя ошибки и ссылочного сигнала в виде полного волновых импульсов переменного тока синусоидальной от входа переменного тока.

Этот выходной сигнал каскада умножителя можно также увидеть в форме полноволновых синусоидальных импульсов, но с соответствующим уменьшением пропорционально приложенному сигналу ошибки (коэффициенту усиления), используемому в качестве эталона для входного напряжения.

Амплитуда сигнала этого источника соответствующим образом настраивается, чтобы реализовать правильную заданную среднюю мощность и обеспечить надлежащее регулируемое выходное напряжение.

Каскад, который отвечает за обработку амплитуды тока, заставляет ток течь в соответствии с формой выходного сигнала от умножителя, однако можно ожидать, что амплитуда сигнала тока линейной частоты (после сглаживания) будет вдвое меньше, чем у этого эталона от каскада умножителя. .

Здесь операции схемы формирования тока можно понимать следующим образом:

Ссылаясь на приведенную выше диаграмму, Vref обозначает сигнал, выходящий из каскада умножителя, который далее подается на один из операционных усилителей компаратора, второй вход которого связан с сигналом текущей формы волны.

При включении питания ток через катушку индуктивности медленно увеличивается, пока сигнал на шунте не достигнет уровня Vref.

Это вынуждает компаратор изменить свой выходной сигнал с ВКЛ на ВЫКЛ, отключая питание схемы.

Как только это происходит, напряжение, которое постепенно нарастало на катушке индуктивности, начинает медленно падать до нуля, и как только оно достигает нуля, выход операционного усилителя возвращается в исходное состояние и снова включается, и цикл повторяется.

Как следует из названия вышеупомянутой характеристики, схема управления системой никогда не позволяет току катушки индуктивности подниматься выше заданного предела в режимах непрерывного и прерывистого переключения.

Такая компоновка помогает прогнозировать и рассчитывать соотношение между средним пиковым уровнем тока на выходе операционного усилителя. Поскольку ответ имеет форму треугольных волн, среднее значение формы волны означает ровно 50% фактических пиков треугольной формы волны.

Это означает, что в результате среднего значения сигнала тока треугольной волны будет = индуктор ток смысла х К или просто положить половину опорного уровня предустановки (Vref) от операционного усилителя.

Частота регуляторов, использующих вышеупомянутый принцип, будет зависеть от сетевого напряжения и тока нагрузки. Частота может быть намного выше при более высоком линейном напряжении и может изменяться при изменении линейного входа.

Режим критической проводимости с ограничением частоты (FCCrM)

Несмотря на свою популярность в различных приложениях управления PFC для промышленных источников питания, описанный выше контроллер CrM имеет некоторые присущие ему недостатки.

Основным недостатком этого типа активного управления PFC является нестабильность частоты по отношению к условиям линии и нагрузки, которая показывает увеличение частоты с более легкими нагрузками и более высокими линейными напряжениями, а также каждый раз, когда входная синусоида приближается к переходам через ноль.

Если попытаться исправить эту проблему, добавив ограничитель частоты, на выходе будет искаженная форма волны тока, что кажется неизбежным из-за того, что «Ton» остается нескорректированным для этой процедуры.

Однако разработка альтернативной техники помогает добиться истинной коррекции коэффициента мощности даже в прерывистом режиме (DCM). Принцип работы можно изучить на рисунке ниже и с прилагаемыми уравнениями.

Обращаясь к диаграмме выше, пиковый ток катушки можно оценить, решив:

Средний ток катушки относительно цикла переключения (который дополнительно принимается как мгновенный линейный ток для данного цикла переключения, поскольку частота коммутации обычно выше, чем частота сети, на которой происходят изменения линейного напряжения ), выражается формулой:

Сочетание вышеуказанных отношений и упрощения терминов дает следующее:

Вышеприведенное выражение ясно указывает и подразумевает, что в случае реализации способа, в котором алгоритм заботится о поддержании ton.tcycle / Tsw на постоянном уровне, это позволит нам достичь синусоидального линейного тока с единичным коэффициентом мощности даже в прерывистом режиме. режим работы.

Хотя приведенные выше соображения раскрывают некоторые явные преимущества предлагаемой техники контроллера DCM, она не кажется идеальным выбором из-за связанных с ней высоких уровней пикового тока, как показано в следующей таблице:

Чтобы достичь идеальных условий PFC, разумным подходом было бы реализовать условие, в котором режимы работы DCM и Crm объединены, чтобы извлечь лучшее из этих двух аналогов.

Поэтому, когда условия нагрузки не являются тяжелыми и CrM работает на высокой частоте, схема переходит в режим работы DCM, и в случае, когда ток нагрузки высокий, условие Crm может сохраняться, так что пики тока не склонны переходить нежелательные высокие пределы.

Такой вид оптимизации для двух предложенных режимов управления лучше всего можно представить на следующем рисунке, где преимущества двух режимов управления объединены для достижения наиболее желательных решений.

Продолжает режим проведения

Режим непрерывной проводимости PFC может стать довольно популярным в проектах SMPS из-за их гибкости применения и диапазона, а также связанных с ними нескольких преимуществ.

В этом режиме текущее пиковое напряжение поддерживается на более низком уровне, что приводит к минимальным коммутационным потерям в соответствующих компонентах, и, кроме того, входная пульсация отображается на минимальном уровне с относительно постоянной частотой, что, в свою очередь, позволяет значительно упростить процесс сглаживания для одинаковый.
Следующие атрибуты, связанные с типом PFC CCM, требуют более подробного обсуждения.

Управление Vrms2

Одним из важнейших атрибутов универсального применения большинства схем коррекции коэффициента мощности является опорный сигнал, который должен быть имитацией выпрямленного входного напряжения.

Этот минимизированный выпрямленный эквивалент входного напряжения, наконец, применяется в схеме для формирования правильной формы волны для выходного тока.

Как обсуждалось выше, для этой операции обычно используется каскад схемы умножителя, но, как мы знаем, каскад схемы умножителя может быть относительно менее рентабельным, чем традиционная система умножения с двойным входом.

На рисунке ниже показан классический пример компоновки, демонстрирующий подход PFC в непрерывном режиме.

Как можно видеть, здесь повышающий преобразователь запускается с помощью ШИМ режима среднего тока, который становится ответственным за определение тока катушки индуктивности (входной ток для преобразователя) со ссылкой на сигнал командного тока, V (i). , который можно рассматривать как уменьшенный эквивалент входного напряжения V (in) к пропорции VDIV.

Это реализуется путем деления сигнала напряжения ошибки на квадрат сигнала входного напряжения (сглаженного конденсатором Cf, чтобы создать упрощенный коэффициент масштабирования по отношению к уровню входного напряжения).

Хотя вам может показаться немного неудобным видеть, что сигнал ошибки делится на квадрат входного напряжения, причина этой меры заключается в создании петлевого усиления (или переходной зависимой реакции), которая может не основываться на входном напряжении. срабатывание.

Возведение в квадрат напряжения в знаменателе нейтрализует значение Vsin вместе с передаточной функцией ШИМ-управления (пропорциональность наклона графика тока индукции входному напряжению).

Однако одним из недостатков этой формы PFC является гибкость умножителя, которая заставляет этот каскад быть немного переоцененным, особенно секции управления мощностью схемы, так что он выдерживает даже самые худшие сценарии рассеивания мощности.

Контроль режима среднего тока

На приведенном выше рисунке мы можем видеть, как опорный сигнал, создаваемый умножителем V (i), обозначает форму формы волны и диапазон масштабирования входного тока PFC.

Указанный этап ШИМ становится ответственным обеспечить средний входной ток, чтобы быть на одном уровне с опорным значением. Процедура выполняется через каскад регулятора режима среднего тока, как показано на рисунке ниже.

Управление в режиме среднего тока в основном сконфигурировано для регулирования среднего тока (вход / выход) со ссылкой на управляющий сигнал Icp, который, в свою очередь, создается за счет использования низкочастотного контура постоянного тока через каскад схемы усилителя ошибки, и это не что иное, как эквивалентный ток, соответствующий сигналу Vi, который показан на предыдущем рисунке.

Усилитель тока каскада функционирует как интегратор тока, а также как усилитель ошибки, чтобы регулировать форму волны, тогда как сигнал Icp, который генерируется через Rcp, становится ответственным за выполнение управления входным напряжением постоянного тока.

Чтобы гарантировать линейный отклик от усилителя тока, его вход должен быть аналогичным, что означает, что разность потенциалов, генерируемая на R (шунт), должна быть аналогична напряжению, генерируемому вокруг Rcp, потому что у нас не может быть постоянного тока через неоинвертирующий резисторный вход усилителя тока.

Выходной сигнал, генерируемый усилителем тока, должен быть «низкочастотным» сигналом ошибки, зависящим от среднего тока шунта, а также сигнала от Isp.

Теперь генератор генерирует пилообразный сигнал, который используется для сравнения с ним вышеупомянутого сигнала, как это сделано в схеме управления режимом напряжения.

Это приводит к созданию ШИМ, определяемых путем сравнения двух вышеупомянутых сигналов.

Расширенные решения PFC

Различные методы управления PFC, как обсуждалось выше (CrM, CCM, DCM), и их варианты предоставляют разработчикам различные варианты настройки схем PFC.

Однако, несмотря на эти варианты, последовательный поиск лучших и более продвинутых модулей с точки зрения эффективности сделал возможным диагностику более сложных проектов для этих приложений.

Мы обсудим это подробнее, так как в этой статье будут появляться последние новости по этой теме.