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使用寬帶隙變送器和數(shù)字控制設(shè)計(jì)更有效的功率因數(shù)校正
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使用寬帶隙變送器和數(shù)字控制設(shè)計(jì)更有效的功率因數(shù)校正

時(shí)間:2020-10-15 10:46:28

   功率因數(shù)校正(PFC)對(duì)于使交流市電供電的設(shè)備(包括交流/直流電源,電池充電器,基于電池的能量存儲(chǔ)系統(tǒng),電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器和不間斷電源)的效率#大化是必要的。它的重要性在于,存在規(guī)定特定類型的電子設(shè)備的#小功率因數(shù)(PF)級(jí)別的法規(guī)。8j5壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

 
為了在不斷縮小的外形尺寸內(nèi)不斷面臨改善整體性能的壓力下滿足這些法規(guī),設(shè)計(jì)人員正在轉(zhuǎn)向有源PFC設(shè)計(jì),該設(shè)計(jì)利用數(shù)字控制技術(shù)和寬帶隙變送器(例如碳化硅(SiC)和氮化鎵( GaN)。
 
本文回顧了PF概念和定義,包括IEEE和IEC以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)之間的不同定義。然后,它介紹了STMicroelectronics,Transphorm,Microchip Technology和Infineon Technologies等供應(yīng)商提供的PFC解決方案,設(shè)計(jì)人員可以使用這些解決方案通過寬帶隙變送器和數(shù)字控制來實(shí)現(xiàn)PFC,包括使用評(píng)估板。
 
什么是功率因數(shù)校正,為什么需要它?
PF是系統(tǒng)無功功率水平的度量。無功功率不是真正的功率,而是代表彼此異相的伏特和安培的影響(圖1)。由于它們異相,因此它們無法有效地發(fā)揮作用,但仍然會(huì)成為交流市電電源線的負(fù)載。系統(tǒng)中的無功功率量是能量傳輸效率低下的一種度量。有源PFC使用功率電子器件來改變負(fù)載汲取的電流波形的相位和/或形狀,以改善PF。使用PFC可以提高整體系統(tǒng)效率。
PF定義為θ的余弦
在線性或非線性負(fù)載中,PF可能會(huì)變差。非線性負(fù)載會(huì)使電壓波形或電流波形或兩者同時(shí)失真。當(dāng)涉及非線性負(fù)載時(shí),稱為失真PF。
 
線性負(fù)載不會(huì)使輸入波形的形狀失真,但會(huì)由于其電感和/或電容而改變電壓和電流之間的相對(duì)時(shí)序(相位)(圖2)。包含主要電阻性負(fù)載的電路(例如,白熾燈和加熱元件)的功率因數(shù)約為1.0,但是包含電感性或電容性負(fù)載的電路(例如,開關(guān)模式功聅hou黃鰨綞,电礆W,变研M骱駝蛄髕鰨┛梢訮F遠(yuǎn)低于1.0。
線性負(fù)載從交流電壓和電流計(jì)算得出的瞬時(shí)功率和平均功率
大多數(shù)電子負(fù)載不是線性的。非線性負(fù)載的示例是開關(guān)模式功聅hou黃骱偷緇》諾縞璞,例壤i獾疲綰富虻緇÷。由又q廡┫低持械牡緦鞅豢囟髦卸,因凑f緦靼鈉德史至渴塹緦?duì)系头Q德實(shí)謀妒。失真PF是負(fù)載電流的諧波失真會(huì)降低傳輸?shù)截?fù)載的平均功率多少的度量。
 
正弦電壓(黃色)和非正弦電流(藍(lán)色)
落后和lingxianPF的區(qū)別
PF滯后表示電流滯后(落后于電壓),PFlingxian表示電流滯后(lingxian于電壓)。對(duì)于電感負(fù)載(例如,感應(yīng)電動(dòng)機(jī),線圈和某些燈),電流滯后于電壓,從而產(chǎn)生滯后的PF。對(duì)于電容性負(fù)載(例如,同步電容器,電容器組和電子功聅hou黃鰨,稻岟超前悼姽,蒂Z魯癙F。
 
滯后或lingxian的區(qū)別并不等于正值或負(fù)值。PF值之前的負(fù)號(hào)和正號(hào)由所使用的標(biāo)準(zhǔn)(IEEE或IEC)確定。
 
PF和IEEE與IEC
圖4中的圖表顯示了IEEE和IEC標(biāo)準(zhǔn)的功率千瓦(kW),無功伏安(var),功率因數(shù)以及感性或容性負(fù)載之間的相關(guān)性。每個(gè)組織使用不同的指標(biāo)對(duì)PF進(jìn)行分類。
功率因數(shù)符號(hào)僅取決于負(fù)載的性質(zhì)
圖4:根據(jù)IEC(左),功率因數(shù)符號(hào)僅取決于實(shí)際功率流的方向,并且與電感性或電容性負(fù)載無關(guān)。根據(jù)IEEE(右),功率因數(shù)符號(hào)僅取決于負(fù)載的性質(zhì)(電容性或電感性)。在這種情況下,它與有功功率的方向無關(guān)。(圖片來源:施耐德電氣)
 
根據(jù)IEC(圖4的左側(cè)),PF符號(hào)僅取決于有功功率的方向,并且與電感性或電容性負(fù)載無關(guān)。根據(jù)IEEE(圖4的右側(cè)),PF符號(hào)僅取決于負(fù)載的性質(zhì)(電容性或電感性)。在這種情況下,它與有功功率方向無關(guān)。對(duì)于感性負(fù)載,PF為負(fù)。對(duì)于容性負(fù)載,PF為正。
 
PF標(biāo)準(zhǔn)
歐盟等監(jiān)管機(jī)構(gòu)已設(shè)定諧波限值以改善功率因數(shù)。為了符合當(dāng)前的歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN61000-3-2(基于IEC 61000-3-2),所有輸出功率超過75瓦的開關(guān)電源必須包括PFC。EnergyStar的80 PLUS電源認(rèn)證要求在100%額定輸出功率下的PF為0.9或更高,并且需要有源PFC。撰寫本文時(shí),IEC標(biāo)準(zhǔn)的#新版本為:IEC 61000-3-2:2018,“電磁兼容性(EMC)-第3-2部分:限值-諧波電流發(fā)射限值(設(shè)備輸入電流≤16A)每個(gè)階段)。”
 
未經(jīng)校正的開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器不符合當(dāng)前的PFC標(biāo)準(zhǔn)。影響PF的一個(gè)考慮因素是使用哪種類型的AC輸入:單相或三相。未校正的單相開關(guān)電源的PF通常約為0.65至0.75(使用上述PF符號(hào)的IEEE約定)。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)設(shè)備使用整流器/電容器前端來產(chǎn)生直流總線電壓。這種配置僅在每個(gè)線路周期的峰值處汲取電流,從而產(chǎn)生狹窄的高電流脈沖,從而導(dǎo)致PF較差(請(qǐng)參見上面的圖3)。
 
三相未校正的開關(guān)模式功聅hou黃骶哂薪細(xì)叩腜F,通常接近0.85(也使用PF符號(hào)的IEEE約定)。這是因?yàn)榧词故褂谜髌?電容器來產(chǎn)生DC總線電壓,也有三相可以相加地改善整體PF。但是,如果不使用有源PF校正電路,則單相或三相開關(guān)模式功聅hou黃鞫嘉薹愕鼻暗腜F規(guī)定。
 
使用WBG變送器和數(shù)字控制設(shè)計(jì)有源PFC
數(shù)字控制技術(shù)和包括GaN和SiC的寬帶隙功率變送器的使用為設(shè)計(jì)人員提供了有源PFC電路的新選擇,與基于模擬控制或無源PFC設(shè)計(jì)的有源PFC設(shè)計(jì)相比,有源PFC電路可以提供更高的效率和更高的功率密度。
 
設(shè)計(jì)人員可以用高級(jí)數(shù)字控制技術(shù)代替模擬控制器,或者用包括微控制器在內(nèi)的其他數(shù)字控制元件來補(bǔ)充模擬控制,以實(shí)現(xiàn)#大的PFC性能。在某些情況下,WBG變送器也可用于改善PFC性能。
 
組件成本的下降加快了PFC兩種不同方法的實(shí)施:交錯(cuò)設(shè)計(jì)和無橋設(shè)計(jì)。每種方法都會(huì)帶來不同的好處:
 
交錯(cuò)式PFC的優(yōu)點(diǎn):
效率更高
改善熱分布
降低通過PFC級(jí)的均方根電流
模塊化
無橋PFC的優(yōu)點(diǎn):
效率更高
將輸入整流中的損失減半
改善熱分布
更高的功率密度
 
三通道交錯(cuò)式PFC控制器結(jié)合了模擬和數(shù)字控制
意法變送器(STMicroelectronics)的STNRGPF01控制器是一種可配置的ASIC,結(jié)合了數(shù)字和模擬控制,并可以在交錯(cuò)的PFC中驅(qū)動(dòng)多達(dá)三個(gè)通道(圖5)。該設(shè)備在固定頻率下以平均電流模式控制以連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)工作,并實(shí)現(xiàn)混合信號(hào)(模擬/數(shù)字)控制。模擬內(nèi)部電流環(huán)路由硬件執(zhí)行,以確保逐周期調(diào)節(jié)。外部電壓環(huán)路由具有快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的數(shù)字比例積分(PI)控制器執(zhí)行。
STNRGPF01的功能框圖
圖5:STNRGPF01的功能框圖顯示了三相交錯(cuò)式PFC應(yīng)用中的內(nèi)部模擬控制部分(紅色)和外部數(shù)字控制部分(綠色)。(圖片來源:意法變送器
 
STNRGPF01實(shí)施了靈活的相位削減策略,該策略可根據(jù)實(shí)際負(fù)載條件啟用正確數(shù)量的PFC通道。借助該功能,STNRGPF01始終能夠在各種負(fù)載電流要求下保證#高的功率效率。
 
該控制器具有多種功能:浪涌電流控制,軟啟動(dòng),突發(fā)模式冷卻管理和狀態(tài)指示。它還具有全套嵌入式保護(hù)功能,可防止過壓,過流和熱故障。
 
為了幫助設(shè)計(jì)人員入門,意法變送器還提供了基于STNRGPF01的STEVAL-IPFC01V1 3 kW PFC電源管理評(píng)估板(圖6)。功能和規(guī)格包括:
 
輸入電壓范圍:90至265 V AC
線路頻率范圍:47至63赫茲(Hz)
#大輸出功率:230伏特時(shí)為3千瓦
輸出電壓:400伏
PF:20%負(fù)載時(shí)> 0.98
總諧波失真:在20%負(fù)載下<5%
混合信號(hào)控制
開關(guān)頻率:111千赫茲(kHz)
逐周期調(diào)節(jié)(模擬電流控制回路)
輸入電壓和負(fù)載前饋
相脫落
突發(fā)模式操作
STEVAL-IPFC01V1框圖
圖6:STEVAL-IPFC01V1框圖,顯示:1. I / O測量信號(hào);2.模擬電路;3.功率級(jí);4.數(shù)字控制部分,帶STNRGPF01數(shù)字控制器;在三相交錯(cuò)式PFC中。(圖片來源:意法變送器
除STNRGPF01混合信號(hào)控制器外,該評(píng)估板還包括STW40N60M2 N通道,600伏,34安培(A)低Qg硅功率MOSFET和PM8834TR柵極驅(qū)動(dòng)器IC。
 
具有GaN FET的無橋圖騰柱PFC
開發(fā)了無橋PFC拓?fù)湟韵c使用二極管橋式整流相關(guān)的電壓降和效率低下的問題。WBG功率變送器(例如GaN和SiC)的出現(xiàn)使無橋圖騰柱PFC成為可能(圖7)。在傳統(tǒng)的圖騰柱設(shè)計(jì)(a)中,兩個(gè)GaN FET和兩個(gè)二極管用于線路整流。在無橋圖騰柱修改(b)中,二極管被兩個(gè)低電阻硅MOSFET取代,以取代二極管的電流-電壓(IV)下降以提高效率。
兩個(gè)GaN FET和兩個(gè)二極管用于線路整流
圖7:在傳統(tǒng)圖騰柱設(shè)計(jì)中,兩個(gè)GaN FET和兩個(gè)二極管用于線路整流(a);在改進(jìn)的電路(b)中,二極管被兩個(gè)低電阻硅MOSFET取代,以取代二極管的電流-電壓降,從而提高了無橋圖騰柱的效率。(圖片來源:Transphorm)
 
與硅MOSFET相比,GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)的反向恢復(fù)電荷(Qrr)小得多,這使得無橋圖騰柱設(shè)計(jì)變得切實(shí)可行(圖8)。在CCM中圖騰柱PFC的簡化示意圖中,重點(diǎn)在于#小化傳導(dǎo)損耗。
CCM模式下圖騰柱PFC的簡化示意圖
圖8:CCM模式下圖騰柱PFC的簡化示意圖包括兩個(gè)以高脈沖寬度調(diào)制頻率工作并用作升壓轉(zhuǎn)換器的快速開關(guān)GaN HEMT(Q1和Q2),以及兩個(gè)非常低電阻的MOSFET(S1和Q2) S2)以較慢的線路頻率(50Hz / 60Hz)運(yùn)行。(圖片來源:Transphorm)
該電路包括兩個(gè)快速開關(guān)的GaN HEMT(Q1和Q2)和兩個(gè)非常低電阻的MOSFET(S1和S2)。Q1和Q2以高脈寬調(diào)制(PWM)頻率工作,并用作升壓轉(zhuǎn)換器。S1和S2在較慢的線路頻率(50 Hz / 60 Hz)下運(yùn)行,并用作同步整流器。初級(jí)電流路徑僅包括一個(gè)快速開關(guān)和一個(gè)緩慢開關(guān),沒有二極管壓降。S1和S2的作用是同步整流器,如圖8(b)和8(c)所示。在正交流周期中,S1接通而S2關(guān)斷,迫使連接到負(fù)極端子的交流中性線進(jìn)入直流輸出。負(fù)周期則相反。
 
 
設(shè)計(jì)人員可以使用Transphorm的TDTTP4000W066C 4 kW無橋圖騰柱PFC評(píng)估板來研究電路的工作情況。它使用Microchip Technology的MA330048 dsPIC33CK256MP506數(shù)字電源插入模塊(PIM)作為控制器。Transphorm的Gen IV(SuperGaN)TP65H035G4WS GaN FET可實(shí)現(xiàn)非常高效率的單相轉(zhuǎn)換。在電路的快速開關(guān)腳中使用Transphorm GaN FET,在電路的慢速開關(guān)腳中使用低電阻MOSFET可以提高性能和效率。
 
雙向圖騰柱PFC結(jié)合了硅FET和SiC FET
對(duì)于電網(wǎng)交互式電池電動(dòng)汽車和基于電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員,英飛凌提供了EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1評(píng)估板,一個(gè)具有雙向功率功能的3300瓦圖騰柱PF校正器(圖9)。這種無橋圖騰柱PFC板的功率密度高達(dá)每立方英寸72瓦。EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1板上實(shí)現(xiàn)的圖騰柱在CCM下以整流器(PFC)和逆變器模式工作,并使用Infineon XMC1000系列微控制器實(shí)現(xiàn)全數(shù)字控制。
 
圖9:EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 3300瓦圖騰柱PFC評(píng)估板的框圖顯示了拓?fù),該拓(fù)淇商峁┰u(píng)估板指定的每立方英寸功率密度72瓦。(圖片來源:英飛凌科技公司)
該圖騰柱PFC結(jié)合使用了英飛凌的IMZA65R048M1 64毫歐(mΩ),650伏,CoolSiC SiC MOSFET及其IPW60R017C7 17mΩ,600伏,CoolMOS C7硅功率MOSFET的組合。該轉(zhuǎn)換器僅在CCM的高電壓線路(#小176伏rms,標(biāo)稱230伏rms)下工作,開關(guān)頻率為65 kHz,在半負(fù)載時(shí)效率高達(dá)99%。在此3300瓦雙向(PFC / AC-DC和逆變器/ AC-DC)圖騰柱解決方案中使用的其他Infineon設(shè)備包括:
 
2EDF7275FXUMA1隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器
帶有IPU95R3K7P7 950伏CoolMOS P7 MOSFET的ICE5QSAGXUMA1 QR反激控制器,用于偏置輔助電源
XMC1404微控制器,用于PFC控制實(shí)現(xiàn)
結(jié)論
PF低會(huì)導(dǎo)致公用電網(wǎng)和電源轉(zhuǎn)換器的效率低下,使得PFC對(duì)于各種交流電源設(shè)備都是必需的,法規(guī)規(guī)定了特定類型電子設(shè)備的#低PF級(jí)別。為了滿足這些法規(guī)要求,同時(shí)滿足對(duì)更小尺寸和更高性能的需求,設(shè)計(jì)人員需要一種簡單,低成本無源PFC技術(shù)的替代產(chǎn)品。
 
如圖所示,設(shè)計(jì)人員可以改為使用數(shù)字控制技術(shù)和WBG變送器(例如SiC和GaN)來實(shí)現(xiàn)有源PFC設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)更高的PF和更緊湊的設(shè)計(jì)。
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