Design mere PFC ved hjælp af WBG-halvledere og digital kontrol

PFC er nødvendig for at maksimere effektiviteten af AC-netstrøm udstyr inklusive AC/DC-strømforsyninger, batteriopladere, batteribaserede energilagringssystemer, motordrev og UPS'er. Dets betydning er sådan, at der er regler, der dikterer PF-niveauer (minimum power factor) for specifikke typer elektronisk udstyr.

For at imødekomme disse regler over for konstant pres for at forbedre den samlede præstation inden for stadigt krympende formfaktorer vender designere sig til aktive PFC-design, der drager fordel af digitale styringsteknikker og WBG-halvledere, såsom siliciumcarbid (SiC) og galliumnitrid ( GaN).

Denne artikel gennemgår PF-begreber og definitioner, herunder forskellige definitioner mellem IEEE og IEC og tilhørende standarder. Derefter introducerer det løsninger til PFC fra leverandører som f.eks STMicroelectronics, Transphorm, Microchip Technology og Infineon Technologies som designere kan bruge til at implementere PFC ved hjælp af WBG-halvledere og digital kontrol, herunder brug af evalueringskort.

Hvad er PFC, og hvorfor er det nødvendigt?

PF er et mål for niveauet for reaktiv effekt i et system. Reaktiv effekt er ikke sand effekt, men repræsenterer virkningen af volt og ampere, der er ude af fase med hinanden (figur 1). Da de er ude af fase, kan de ikke bidrage effektivt til arbejde, men ser stadig ud som en belastning på AC-netstrømsforsyningen. Mængden af reaktiv effekt i et system er et mål for niveauet for ineffektivitet af energioverførsel. Aktiv PFC-bruger effekt-elektronik til at ændre fase og/eller form af den aktuelle bølgeform trukket af en belastning for at forbedre PF. Brug af PFC øger den samlede systemeffektivitet.

Figur 1: PF er defineret som cosinus af θ og repræsenterer forholdet mellem reel effekt absorberet af belastningen og den tilsyneladende effekt, der strømmer i kredsløbet. Forskellen mellem de to skyldes den reaktive effekt. Når reaktiv effekt nærmer sig nul, ser belastningen ud til at være mere modstandsdygtig, den tilsyneladende effekt og den virkelige effekt bliver udlignet, og PF bliver 1,0. (Billedkilde: Wikipedia)

Dårlig PF kan opstå i lineære eller ikke-lineære belastninger. Ikke-lineære belastninger forvrænger bølgeformen for spænding eller den aktuelle bølgeform eller begge dele. Når ikke-lineære belastninger er involveret, kaldes det forvrængnings-PF.

En lineær belastning forvrænger ikke formen på inputbølgeformen, men kan ændre den relative timing (fase) mellem spænding og strøm på grund af dens induktans og/eller kapacitans (figur 2). Elektriske kredsløb, der overvejende har resistive belastninger (f.eks. Glødelamper og varmeelementer), har en PF på næsten 1,0, men kredsløb, der indeholder induktive eller kapacitive belastninger (f.eks. switch-mode effektkonvertere, elektriske motorer, magnetventiler, transformere og lampe-forkoblinger) kan har en PF langt under 1.0.

Figur 2: Øjeblikkelig og gennemsnitlig effekt beregnet ud fra AC-spænding og strøm med en forsinket PF - dvs. hvor strømmen er efter spændingen på 0,71 fra en lineær belastning. (Billedkilde: CUI, Inc.)

De fleste elektroniske belastninger er ikke lineære. Eksempler på ikke-lineære belastninger er switch-mode effektkonvertere og lysbue-udladningsenheder såsom lysstofrør, elektriske svejsemaskiner eller lysbue-ovne. Da strømmen i disse systemer afbrydes af switching, indeholder strømmen frekvenskomponenter, der er multipla af elsystemets frekvens. Forvrængnings-PF er et mål for, hvor meget den harmoniske forvrængning af en belastningsstrøm formindsker den gennemsnitlige effekt, der overføres til belastningen.

Figur 3: Sinusformet spænding (gul) og ikke-sinusformet strøm (blå) giver en forvrængnings-PF på 0,75 for denne computers strømforsyning, som er en ikke-lineær belastning. (Billedkilde: Wikipedia)

Forskellen mellem forsinket og førende PF

En forsinket PF angiver, at strømmen halter (er bagefter) spændingen, og en førende PF angiver, at strømmen fører (er foran) spændingen. For induktive belastninger (f.eks. Induktionsmotorer, spoler og nogle lamper) hænger strømmen bagefter spændingen og producerer en forsinket PF. For kapacitive belastninger (f.eks. Synkrone kondensatorer, kondensatorbanker og elektroniske effektkonvertere) fører strømmen spændingen, hvilket resulterer i en førende PF.

Den forsinkede eller førende skelnen svarer ikke til en positiv eller negativ værdi. Det negative og positive tegn, der går forud for en PF-værdi, bestemmes af den anvendte standard – enten IEEE eller IEC.

PF og IEEE versus IEC

Diagrammerne i figur 4 viser sammenhængen mellem kilowatt (kW) effekt, volt-ampere reaktiv (var) effekt, effektfaktor og induktive eller kapacitive belastninger for både IEEE- og IEC-standarderne. Hver organisation bruger forskellige metoder til at klassificere PF.

Figur 4: I henhold til IEC (venstre) er fortegnet for PF udelukkende afhængig af retningen af reel strøm og er uafhængig af, at belastningen er induktiv eller kapacitiv. Ifølge IEEE (højre) afhænger fortegnet for PF udelukkende af belastningens art (der er kapacitiv eller induktiv). I dette tilfælde er det uafhængigt af retningen af reel strøm. (Billedkilde: Schneider Electric)

I henhold til IEC (venstre side af figur 4) er fortegnet af PF udelukkende afhængig af retningen af reel strøm og er uafhængig af, at belastningen er induktiv eller kapacitiv. I henhold til IEEE (højre side af figur 4) er fortegnet af PF udelukkende afhængig af belastningens art (der er kapacitiv eller induktiv). I dette tilfælde er den uafhængig af retningen af reel strøm. For en induktiv belastning er PF negativ. For en kapacitiv belastning er PF positiv.

PF-standarder

Tilsynsmyndigheder som EU har sat harmoniske grænser for at forbedre PF. For at overholde gældende EU-standard EN61000-3-2 (som er baseret på IEC 61000-3-2) skal alle strømforsyninger med switch-mode med udgangseffekt mere end 75 watt omfatte PFC. 80 PLUS strømforsyningscertificering fra EnergyStar kræver en PF på 0,9 eller mere ved 100% af den nominelle udgangseffekt og kræver aktiv PFC. Den seneste udgave af IEC-standarden på dette tidspunkt er: IEC 61000-3-2: 2018, “Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) - Del 3-2: Grænser - Grænser for harmoniske strømemissioner (udstyrets indgangsstrøm ≤16 A pr. fase). ”

Ikke-korrigeret switch-mode effektkonverter opfylder ikke de nuværende PFC-standarder. En overvejelse, der påvirker PF, er hvilken type AC-indgang der anvendes: 1-faset eller 3-faset. 1-fasede ukorrigerede strømforsyninger har typisk en PF på ca. 0,65 til 0,75 (ved anvendelse af IEEE-konventionen for fortegn af PF er beskrevet ovenfor). Dette skyldes, at de fleste enheder bruger en ensretter/kondensatorfront til at skabe en DC-busspænding. Denne konfiguration trækker kun strøm ved toppen af hver linjecyklus, hvilket skaber smalle, høje strømimpulser, der resulterer i dårlig PF (se figur 3 ovenfor).

3-faset ukorrigerede switch-mode effektkonverter har en højere PF, ofte nærmer sig 0,85 (også ved hjælp af IEEE-konventionen for fortegn af PF). Dette skyldes, at selvom en ensretter kondensator bruges til at fremstille en DC-busspænding, er der tre faser, der yderligere forbedrer den samlede PF. Imidlertid kan hverken enkelt- eller 3-faset switch-mode effektokonvertere imødekomme de nuværende regler for PF uden brug af et aktivt kredsløb til PF-korrektion.

Brug af WBG-halvledere og digital kontrol til at designe aktiv PFC

Brug af digitale kontrolteknikker og WBG-halvledere, herunder GaN og SiC, giver designere nye muligheder for aktive PFC-kredsløb, der kan levere højere effektivitet og højere effekttæthed sammenlignet med aktive PFC-design baseret på analog kontrol eller passive PFC-design.

Designere kan erstatte analoge controllere med avancerede digitale styringsteknikker eller supplere analog kontrol med yderligere digitale kontrolelementer, inklusive mikrocontrollere, for at opnå den maksimale performance af PFC. I nogle tilfælde kan WBG-halvledere også bruges til at forbedre PFC-ydeevne.

Faldende komponentomkostninger har fremmet implementeringen af to forskellige metoder til PFC: Interleaved design og brofri design. Hver tilgang giver forskellige fordele:

• Interleaved PFC-fordele:
  • Højere effektivitet
  • Forbedret varmefordeling
  • Reduceret rms-strøm gennem PFC-trin
  • Modularitet
• Brofri PFC-fordele:
  • Højere effektivitet
  • Halverer tabene i input-ensretteren
  • Forbedret varmefordeling
  • Højere effekttæthed

Tre-kanals inteleaved PFC-controllere kombinerer analog og digital kontrol

Det STNRGPF01 controller fra STMicroelectronics er en konfigurerbar ASIC, der kombinerer digital og analog kontrol og kan køre op til tre kanaler i en intertleaved PFC (figur 5). Enheden fungerer i CMM (continuous conduction mode) ved fast frekvens med gennemsnitlig strømtilstandskontrol og implementerer blandet signal (analog/digital) kontrol. Den analoge indre strømsløjfe udføres af hardware, hvilket sikrer cyklus-for-cyklus-regulering. Den ydre spændingssløjfe udføres af en digital PI (proportional-integral) controller med hurtig dynamisk respons.

Figur 5: Et funktionelt blokdiagram over STNRGPF01 viser den indre analoge kontrolsektion (rød) og den ydre digitale kontrolsektion (grøn) i en 3-faset interleaved PFC-applikation. (Billedkilde: STMicroelectronics)

STNRGPF01 implementerer en fleksibel strategi for fasestrøms, der muliggør det korrekte antal PFC-kanaler baseret på den faktiske belastningstilstand. Med denne funktion er STNRGPF01 altid i stand til at garantere den højeste energieffektivitet på tværs af en bred vifte af belastningsstrømkrav.

Styringen implementerer flere funktioner: startstrømstyring, blød opstart, styring af burst-køling og statusindikation. Det har også et komplet sæt indlejrede beskyttelser mod overspænding, overstrøm og termiske fejl.

For at hjælpe designere med at komme i gang tilbyder STMicroelectronics også STEVAL-IPFC01V1 3 kW PFC-effektstyringsevalueringskort baseret på STNRGPF01 (figur 6). Funktioner og specifikationer inkluderer:

• Indgangsspændingsområde: 90 til 265 V._AC
• Linjefrekvensområde: 47 til 63 Hertz (Hz)
• Maksimal udgangseffekt: 3 kW ved 230 volt
• Udgangsspænding: 400 volt
• PF:> 0,98 ved 20% belastning
• Total harmonisk forvrængning: <5% ved 20% belastning
• Mixed-signal kontrol
• Switch-frekvens: 111 kilohertz (kHz)
• Cyklus for cyklus regulering (analog strømstyringssløjfe)
• Indgangsspænding og fremad belastning
• Faseafgivelse
• Burst-mode-drift

Figur 6: STEVAL-IPFC01V1 blokdiagram, der viser: 1. I/O-målesignaler; 2. Analoge kredsløb; 3. Effekt-trin; 4. Digital kontrol sektion med STNRGPF01 digital controller; i en 3-faset interleaved PFC. (Billedkilde: STMicroelectronics)

Ud over STNRGPF01 blandet signal controller inkluderer dette evalueringskort STW40N60M2 N-kanal, 600 volt, 34 ampere (A) MOSFETS med lav Qg siliciumeffekt og PM8834TR gate-driver IC'er.

Brofri totempæl-PFC med GaN FET'er

Brofri PFC-topologier blev udviklet til at eliminere spændingsfald og ineffektivitet forbundet med brugen af dioderbro-ensrettere. Bridgeless totempæl PFC'er er blevet aktiveret af fremkomsten af WBG-effekthalvledere såsom GaN og SiC (figur 7). I et konventionelt totempæledesign (a) anvendes to GaN FET'er og to dioder til liniejustering. I en brofri totempælsmodifikation (b) udskiftes dioderne med to MOSFET'er med lav modstandssilicium for at erstatte diodenes strømspænding (IV) for at forbedre effektiviteten.

Figur 7: To GaN FET'er og to dioder anvendes til liniejustering i et traditionelt totempæledesign (a); i et modificeret kredsløb (b) erstattes dioderne med to MOSFET'er med lav modstandssilicium for at erstatte diodenes strømspændingsfald for at forbedre effektiviteten i den broløse totempæl. (Billedkilde: Transphorm)

Den signifikant mindre omvendte gendannelsesladning (Qrr) for GaN-højelektron mobilitetstransistorer (HEMT'er) sammenlignet med silicium-MOSFET'er gør bro-uden totempæledesign praktisk (figur 8). I dette forenklede skema over en totempæl-PFC i CCM er fokus på at minimere ledningstab.

Figur 8: Forenklet skematisk af en totempæl-PFC i CCM-tilstand omfatter 2 fast-switching GaN HEMT'er (Q1 og Q2), der fungerer ved en høj pulsbreddemodulationsfrekvens og fungerer som en boost-konverter og to meget lave modstand MOSFET'er (S1 og S2) fungerer ved en meget langsommere linjefrekvens (50Hz/60Hz). (Billedkilde: Transphorm)

Kredsløbet omfatter to fast-switching GaN HEMT'er (Q1 og Q2) og to MOSFET'er med meget lav modstand (S1 og S2). Q1 og Q2 fungerer ved en høj pulsbredde modulationsfrekvens (PWM) og fungerer som en boost-konverter. S1 og S2 fungerer med en meget langsommere linjefrekvens (50 Hz/60 Hz) og fungerer som en synkroniseret ensretter. Den primære strømsti inkluderer en fast-switch og kun en langsom switch uden diodefald. Rollen til S1 og S2 er en synkroniseret ensretter, som illustreret i 8 (b) og 8 (c). Under den positive AC-strømscyklus er S1 tændt, og S2 er slukket, hvilket tvinger den AC-neutrale linje bundet til den negative terminal til DC-udgangen. Det modsatte gælder for den negative cyklus.

For at muliggøre CCM-drift skal slave-transistorens kropsdiode fungere som en flyback-diode, for at induktorstrømmen kan strømme i løbet af død tid. Diodestrømmen skal dog hurtigt reduceres til nul og overgang til omvendt blokerende tilstand, når master-switchen tændes. Dette er den kritiske proces for en totempæl-PFC, som med den høje Qrr i kropsdioden af højspændings Si MOSFET'er resulterer i unormale spidser, ustabilitet og tilknyttede høje skiftetab. Den lave Qrr af GaN-switchene tillader designere at overvinde denne barriere.

Designere kan studere kredsløbets funktion ved hjælp af Transphorm's TDTTP4000W066C 4 kW brolæse totempæl-PFC evalueringskort. Denne bruger MA330048 dsPIC33CK256MP506 digitalt strømstikmodul (PIM) fra Microchip Technology som controller. Meget høj effektivitet 1-faset konvertering opnås med Transphorms Gen IV (SuperGaN) TP65H035G4WS GaN FET'er. Brug af Transphorm GaN FET'er i kredsløbets fast-switching ben og MOSFET'er med lav modstand i kredsløbets slow-switching del resulterer i forbedret ydelse og effektivitet.

Tovejs totempæl-PFC'er kombinerer silicium FET'er og SiC FET'er

For designere af el-interaktive elbiler og batteribaserede energilagringssystemer tilbyder Infineon EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 evalueringskort, en 3300 watt totempæl PF-korrigerer med tovejs effektkapacitet (figur 9). Dette broløse totempæl PFC-kort leverer en høj effekttæthed på 72 watt pr. kubikcentimeter. Totempælen implementeret i EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1-kortet fungerer i CCM i både ensretter (PFC) og inverter-tilstand med fuld digital kontrolimplementering ved hjælp af Infineon XMC1000 mikrocontroller serie.

Figur 9: Et blokdiagram over EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 3300 watt totempæl PFC-evalueringskort viser den topologi, der leverer kortets specificerede 72 watt pr. Kubikcentimeter effekttæthed. (Billedkilde: Infineon Technologies)

Denne totempæl-PFC bruger en kombination af Infineon's IMZA65R048M1 64 mΩ, 650 volt, CoolSiC SiC MOSFET'er og dennes IPW60R017C7 17 mΩ, 600 volt, CoolMOS C7 silicium power MOSFET'er. Konverteren fungerer udelukkende ved høj linje (176 volt rms minimum, 230 volt rms nominelt) i CCM med en switch-frekvens på 65 kHz og opnår effektivitet op til 99% ved halv belastning. Yderligere Infineon-enheder, der bruges i denne 3300 watt tovejs (PFC/AC-DC og inverter/AC-DC) totempæl-løsning inkluderer:

• 2EDF7275FXUMA1 isolerede portdrivere
• ICE5QSAGXUMA1 QR flyback-controller med en IPU95R3K7P7 950 volt CoolMOS P7 MOSFET til bias-hjælpeforsyning
• XMC1404 mikrocontroller til implementering af PFC-kontrol

Konklusion

En lav PF introducerer ineffektivitet i forsyningsnettet og i effektkonverter, hvilket gør PFC nødvendigt for en række AC-netstrømsdrevet udstyr med regler, der dikterer minimum PF-niveauer for specifikke typer elektroniske enheder. For at imødekomme disse lovgivningsmæssige krav og samtidig imødekomme behovet for mindre formfaktorer og øget ydeevne, har designere brug for et alternativ til enkle og billige passive PFC-teknikker.

Som vist kan designere i stedet implementere aktive PFC-design ved hjælp af digitale styringsteknikker og WBG-halvledere som SiC og GaN for at opnå højere PF'er og mere kompakte designs.

Anbefalet læsning

1. Design af effektive interleaved PFC-løsninger
2. Brug SiC-baserede MOSFET'er til at forbedre effektiviteten af effektkonvertering