Navrhujte efektivnější kompenzaci účiníku pomocí širokopásmových polovodičů a digitální regulace

Kompenzace účiníku (PFC) je nezbytným prvkem k maximalizaci účinnosti vybavení napájeného síťovým střídavým proudem včetně napájecích zdrojů AC/DC, nabíječek baterií, bateriových systémů skladování energie, motorových pohonů a zdrojů nepřerušovaného napájení. Její význam spočívá zejména v nutnosti vyhovění předpisům nařizujícím minimální hodnotu účiníku (PF) pro konkrétní typy elektronických zařízení.

Ke splnění těchto předpisů se tváří v tvář konstantnímu tlaku na vylepšení celkového výkonu se stále se zmenšujícím tvarovým faktorem obracejí návrháři na provedení s aktivní PFC, která využívá technik digitální regulace a širokopásmových polovodičů, jako je karbid křemíku (SiC) a nitrid galia (GaN).

V tomto článku zhodnotíme koncepty a definice účiníku včetně odlišných definic norem IEEE a IEC a souvisejících. Poté představíme dodavatele PFC, jako jsou společnosti STMicroelectronics, Transphorm, Microchip Technology a Infineon Technologies, jejichž výrobky mohou návrháři použít k implementaci PFC pomocí širokopásmových vodičů a digitální regulace, včetně využití vyhodnocovacích desek.

Co je kompenzace účiníku a proč je potřebná?

Účiník je míra úrovně jalového výkonu systému. Jalový výkon není skutečný výkon, ale představuje účinek voltů a ampérů, jejichž fáze jsou vzájemně posunuty (obrázek 1). Vzhledem k fázovému posunu není tento výkon efektivně činný, pro síťové vedení střídavého proudu však nicméně představuje zátěž. Velikost jalového výkonu v systému je jedním z měřítek úrovně neefektivnosti přenosu energií. Ke změně fáze anebo tvaru aktuální křivky způsobenému zátěží, a tím k vylepšení účiníku, využívá aktivní PFC výkonovou elektroniku. Používání PFC zvyšuje celkovou účinnost systému.

Obrázek 1: Účiník je definován jako kosinus θ a představuje poměr činného výkonu absorbovaného zátěží a zdánlivého výkonu protékajícího obvodem. Rozdíl mezi těmito dvěma výkony je způsoben jalovým výkonem. Když se jalový výkon blíží nule, má zátěž výhradněji odporový charakter. Zdánlivý výkon a činný výkon se vyrovnají a účiník se bude rovnat 1,0. (Zdroj obrázku: Wikipedia)

Ke špatnému účiníku může dojít při lineární i nelineární zátěži. Nelineární zátěž zkreslí křivku napětí nebo aktuální křivku, či obojí. Dochází-li k nelineární zátěži, nazývá se účiník zkreslení.

Lineární zátěž tvar vstupní křivky nezkresluje, ale díky své indukčnosti nebo kapacitě může změnit relativní časový průběh (fázi) (obrázek 2). Elektrické obvody sestávající z převážně odporových zátěží (např. žárovky nebo topná tělesa) mají účiník blížící se hodnotě 1,0. Avšak obvody obsahující induktivní nebo kapacitní zátěž (např. měniče ve spínacím režimu SMPC, elektromotory, elektromagnetické ventily, transformátory a předřadníky-světelné zdroje) mohou mít účiník výrazně pod hodnotou 1,0.

Obrázek 2: Okamžitý a průměrný výkon vypočítaný ze střídavého napětí a proudu s opožděním účiníku – tzn. proud je oproti napětí zpožděn – 0,71 oproti lineární zátěži. (Zdroj obrázku: společnost CUI, Inc.)

Většina elektronické zátěže není lineární. Příklady nelineární zátěže jsou měniče ve spínacím režimu SMPC a zařízení s obloukovým výbojem, jako jsou zářivky, svářečky nebo obloukové pece. Vzhledem k tomu, že proud je v těchto systémech přerušován akcí spínání, obsahuje proud frekvenční složky, které jsou násobky frekvence elektrizační soustavy. Účiník zkreslení je měřítkem, do jaké míry snižuje harmonické zkreslení zátěžového proudu průměrný výkon přenášený do zátěže.

Obrázek 3: Sinusové napětí (žlutě) a nesinusový proud (modře) udávají tomuto napájecímu zdroji počítače, který je nelineární zátěží, účiník zkreslení 0,75. (Zdroj obrázku: Wikipedia)

Rozdíl mezi zpožděným a předbíhajícím účiníkem

Zpožděný účiník znamená, že proud je oproti napětí zpožděn (následuje za ním), a předbíhající účiník znamená, že proud napětí předbíhá (předchází jej). U induktivní zátěže (např. indukční motory, cívky a některé žárovky) je proud oproti napětí zpožděn, a dochází tak ke zpožděnému účiníku. U kapacitní zátěže (např. synchronní kondenzátory, kondenzátorové banky a elektronické měniče) proud napětí předbíhá, což vede k předbíhajícímu účiníku.

Rozdíl mezi zpožděním a předbíháním neznamená kladnou nebo zápornou hodnotu. Záporné nebo kladné znaménko, které předchází hodnotě účiníku, je určeno použitou normou – buď IEEE, nebo IEC.

Účiník a srovnání norem IEEE a IEC

Schémata na obrázku 4 znázorňují korelaci mezi kilowatty (kW) výkonu, jalovým výkonem – reaktančními voltampéry (Var), účiníkem a induktivní a kapacitní zátěží u norem IEEE a IEC. Každá z obou organizací používá ke klasifikaci účiníku jinou metriku.

Obrázek 4: Podle komise IEC (vlevo) závisí znaménko účiníku výhradně na směru toku činného výkonu a není závislé na tom, zda je zátěž induktivní či kapacitní. Podle organizace IEEE (vpravo) závisí znaménko účiníku výhradně na charakteru zátěže (na tom, zda je kapacitní, nebo induktivní). V tomto případě nezávisí na směru toku činného výkonu. (Zdroj obrázku: společnost Schneider Electric)

Podle komise IEC (na levé straně obrázku 4) závisí znaménko účiníku výhradně na směru toku činného výkonu a není závislé na tom, zda je zátěž induktivní, či kapacitní. Podle organizace IEEE (na pravé straně obrázku 4) závisí znaménko účiníku výhradně na charakteru zátěže (na tom, zda je kapacitní, nebo induktivní). V tomto případě nezávisí na směru toku činného výkonu. Pro induktivní zátěž je hodnota účiníku záporná. Pro kapacitní zátěž je hodnota účiníku kladná.

Normy týkající se účiníku

Ke zlepšení účiníku nastavily regulační orgány, jako je EU, limity harmonických. Všechny spínané zdroje napájení s výstupním výkonem vyšším než 75 W musí zahrnovat účiník, aby vyhověly aktuální normě EU EN61000-3-2 (která je vychází z normy IEC 61000-3-2). Certifikace napájecích zdrojů 80 PLUS programu EnergyStar vyžaduje, aby byl při 100% jmenovitém výstupním výkonu účiník nejméně 0,9 a je přitom vyžadována aktivní PFC. V době psaní tohoto článku je nejnovějším vydáním normy IEC následující standard: IEC 61000-3-2:2018, „Elektromagnetická kompatibilita (EMC) - Část 3-2: Meze - Meze pro emise harmonického proudu (zařízení se vstupním fázovým proudem ≤16 A)“.

Měniče ve spínacím režimu SMPC bez korekce aktuální normy pro účiník nesplňují. Jedním z faktorů, které mají na účiník vliv, je, jaký typ vstupu střídavého proudu je použit: jednofázový nebo třífázový. Účiník jednofázových spínaných napájecích zdrojů se typicky pohybuje kolem 0,65 až 0,75 (s použitím konvence organizace IEEE pro znaménko účiníku, jako je popsáno výše). Je to z toho důvodu, že většina jednotek používá k vytvoření napětí sběrnice stejnosměrného proudu na front endu usměrňovač nebo kondenzátor. Při této konfiguraci je proud odebírán pouze na vrcholu jednotlivých cyklů vedení, což vytváří úzké a vysoké pulzy proudu, které vedou k nízkému účiníku (viz obrázek 3 výše).

Třífázové měniče ve spínacím režimu SMPC vykazují vyšší účiník, často se blížící hodnotě 0,85 (také s použitím konvence organizace IEEE pro znaménko účiníku). Dochází k tomu, protože přestože se k vytvoření napětí sběrnice stejnosměrného proudu používá usměrňovač nebo kondenzátor, celkový účiník dále vylepšují tři fáze. Avšak ani jednofázové ani třífázové měniče ve spínacím režimu SMPC by nemohly aktuální předpisy týkající se účiníku splnit bez použití obvodu s aktivní korekcí účiníku.

Využití širokopásmových polovodičů a digitální regulace k návrhu aktivní PFC

Použití technik digitální regulace a širokopásmových výkonových polovodičů, včetně GaN a SiC, poskytuje návrhářům nové možnosti obvodů s aktivní PFC, které mohou dosahovat vyšší účinnosti a vyšší výkonové hustotě ve srovnání s návrhy aktivních PFC založených na analogové regulaci nebo pasivní PFC.

Návrháři mohou analogové řídicí jednotky nahradit pokročilým technikami digitální regulace nebo doplňkovým analogovým řízením s dalšími prvky digitální regulace, včetně mikrokontrolérů, aby dosáhli maximálního výkonu PFC. V některých případech lze k vylepšení výkonu PFC použít také širokopásmové polovodiče.

Snižování nákladů na součástky urychlilo implementaci dvou různých metod PFC: s prokládanou topologií a bezmůstkovou topologií. Každý z těchto přístupů má své výhody:

• Výhody prokládané topologie PFC:
  • Vyšší účinnost
  • Lepší distribuce tepla
  • Snížená efektivní hodnota proudu díky stupni PFC
  • Modularita
• Výhody bezmůstkové topologie PFC:
  • Vyšší účinnost
  • Poloviční ztráty na usměrnění vstupu
  • Lepší distribuce tepla
  • Vyšší výkonová hustota

Tříkanálová řídicí jednotka PFC s prokládanou topologií s kombinací analogové a digitální regulace

Řídicí jednotka STNRGPF01 společnosti STMicroelectronics je konfigurovatelný zákaznický integrovaný obvod („Application Specific Integrated Circuit“, ASIC), který kombinuje digitální a analogovou regulaci a může v PFC s prokládanou topologií řídit až tři kanály (obrázek 5). Zařízení pracuje v nepřerušovaném režimu spínání (CCM) na pevné frekvenci s řízením režimu průměrného proudu a implementuje řízení smíšeného signálu (analogový/digitální). Analogová vnitřní proudová smyčka je vykonávána hardwarem a zajišťuje regulaci po cyklech. Vnější napěťová smyčka je vykonávána digitální proporcionálně-integrální (PI) řídicí jednotkou s rychlou dynamickou reakcí.

Obrázek 5: Funkční blokové schéma jednotky STNRGPF01 zobrazuje vnitřní analogovou řídicí část (červená) a vnější digitální řídicí část (zelená) v třífázové aplikaci PFC s prokládanou topologií. (Zdroj obrázku: společnost STMicroelectronics)

Jednotka STNRGPF01 zahrnuje flexibilní strategii odlehčení fází, která v závislosti na aktuálním stavu zátěže umožní správný počet kanálů PFC. Díky této funkci je jednotka STNRGPF01 vždy schopna zaručit nejvyšší účinnost výkonu napříč širokým rozsahem požadavků na zátěžový proud.

Řídicí jednotka dále nabízí několik funkcí: regulaci náběhového proudu, měkké spuštění, správu chlazení režimu emisí a indikaci stavu. Je také vybavenou kompletní sadou vestavěné ochrany proti přepětí, nadproudu a termálním závadám.

K ulehčení začátku nabízí společnost STMicroelectronics návrhářům také 3kW vyhodnocovací desku řízení spotřeby energie PFC STEVAL-IPFC01V1 založenou na jednotce STNRGPF01 (obrázek 6). Její funkce a vlastnosti jsou následující:

• Rozsah vstupního napětí: 90 až 265 V_AC
• Rozsah frekvence vedení: 47 až 63 Hz
• Maximální výstupní výkon: 3 kW při 230 V
• Výstupní napětí: 400 V
• Účiník: >0,98 při 20% zátěži
• Celkové harmonické zkreslení: <5 % při 20% zátěži
• Řízení smíšeného signálu
• Frekvence spínání: 111 kHz
• Regulace po cyklech (analogová řídicí smyčka proudu)
• Kladná zpětná vazba vstupního napětí a zátěže
• Odlehčování fází
• Provoz režimu emisí

Obrázek 6: Blokové schéma desky STEVAL-IPFC01V1 se zobrazením: 1. signálů měření I/O; 2. analogového obvodu; 3. výkonové fáze; 4. části digitální regulace s digitální řídicí jednotkou STNRGPF01; v třífázové PFC s prokládanou topologií. (Zdroj obrázku: společnost STMicroelectronics)

Kromě řídicí jednotky smíšeného signálu STNRGPF01 zahrnuje tato vyhodnocovací deska výkonové křemíkové tranzistory MOSFET STW40N60M2 s N kanály, 600 V, 34 A a sníženým nabitím brány (QG) a ovladačem brány PM8834TR IC.

Dvojčinná bezmůstková PFC s kondenzátory GaN FET

Bezmůstková topologie PFC byla vyvinuta k eliminaci poklesů napětí a neúčinnosti spojené s používáním usměrňování můstku diod. Dvojčinná bezmůstková PFC byla umožněna objevením se širokopásmových výkonových polovodičů, jako jsou GaN a SiC (obrázek 7). V konvenčním dvojčinném provedení (a) se k usměrňování vedení používají dva kondenzátory GaN FET a dvě diody. V úpravě dvojčinného bezmůstkového provedení (b) jsou diody nahrazeny dvěma křemíkovými tranzistory MOSFET s nízkým odporem. Nahrazují poklesy proud-napětí (IV) diod a vylepšují účinnost.

Obrázek 7: Dva tranzistory GaN FET a dvě diody se používají k usměrnění vedení v konvenčním dvojčinném provedení (a); v upraveném obvodu (b) jsou diody nahrazeny dvěma křemíkovými tranzistory MOSFET s nízkým odporem, aby nahradily poklesy proud-napětí diod a vylepšily účinnost dvojčinného bezmůstkového provedení. (Zdroj obrázku: společnost Transphorm)

Díky významně menšímu nabíjení do zpětného zotavení (Qrr) tranzistorů GaN s vysokou elektronovou mobilitou (HEMT) ve srovnání s křemíkovými tranzistory MOSFET jsou dvojčinná bezmůstková provedení praktická (obrázek 8). V tomto zjednodušeném schématu dvojčinné PFC v režimu CCM je cílem minimalizace ztrát vedení.

Obrázek 8: Zjednodušené schéma dvojčinné PFC v režimu CCM sestává ze dvou tranzistorů GaN HEMT s rychlým spínáním (Q1 a Q2), s vysokou pulze-šířkovou modulací a fungujícím jako zvyšující měnič, a dvou tranzistorů MOSFET (S1 a S2) s velmi nízkým odporem fungujícím s výrazně pomalejší frekvencí vedení (50 Hz / 60 Hz). (Zdroj obrázku: společnost Transphorm)

Obvod sestává ze dvou tranzistorů GaN HEMT s rychlým spínáním (Q1 a Q2) a dvou tranzistorů MOSFET s velmi nízkým odporem (S1 a S2). Tranzistory pracují s vysokou frekvencí pulzně-šířkové modulace (PWM) a fungují jako zvyšující měnič. Tranzistory S1 a S2 fungují s mnohem pomalejší frekvencí vedení (50 Hz / 60 Hz) a slouží jako synchronizovaný usměrňovač. Primární cesta proudu zahrnuje pouze jeden rychlý spínač a jeden pomalý spínač, žádný pokles na diodě. Tranzistory S1 a S2 hrají roli synchronizovaného usměrňovače, viz obrázek 8(b) a 8(c). Během kladného cyklu střídavého proudu je tranzistor S1 zapnutý a tranzistor S2 vypnutý. Neutrální vodič střídavého proudu je tak svázán se záporným vývodem stejnosměrného výstupu. Naopak to platí pro záporný cyklus.

Dioda těla podřízeného tranzistoru musí fungovat jako dioda flyback, aby proud induktoru proudil během mrtvé doby a byl možný režim CCM. Jakmile se zapne hlavní spínač, musí se proud diodou rychle snížit na nulu a přejít do opačného blokovaného stavu. Jde o kritický proces pro dvojčinnou PFC, který spolu s vysokou hodnotou Qrr diody těla vysokonapěťových křemíkových tranzistorů MOSFET vede k abnormálním špičkám, nestabilitě a souvisejícím ztrátám při vysokém spínání. Nízká hodnota Qrr spínačů GaN umožňuje návrhářům tuto překážku překonat.

Návrháři mohou studovat fungování obvodu pomocí 4kW dvojčinné bezmůstkové vyhodnocovací desky PFC TDTTP4000W066C společnosti Transphorm. Digitální výkonový modul plug-in využívá jako řídicí jednotku MA330048 dsPIC33CK256MP506 (PIM) od společnosti Microchip Technology. Pomocí tranzistorů GaN FET Gen IV (SuperGaN) TP65H035G4WS společnosti Transphorm se dosahuje velmi vysoké účinnosti jednofázové přeměny. Využijeme li tranzistorů GaN FET společnosti Transphorm v úseku obvodu s rychlým spínáním a tranzistory MOSFET s nízkým odporem v úseku s pomalým spínáním obvodu, dosáhneme lepšího výkonu a účinnosti.

Obousměrné dvojčinné provedení PFC s kombinací tranzistorů FET a SiC FET

Pro návrháře elektrických vozidel s bateriemi hybridního systému nebo návrháře bateriových systémů skladování energie nabízí společnost Infineon vyhodnocovací desku EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 – 3300W dvojčinný korektor účiníku s funkcí obousměrného výkonu (obrázek 9). Tato dvojčinná bezmůstková deska PFC poskytuje vysokou výkonovou hustotu 72 W na kubický palec. Dvojčinnost v desce EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 funguje v CCM jak pro režim usměrňovače (PFC), tak invertoru s implementací plně digitální regulace pomocí mikrokontroléru řady XMC1000 společnosti Infineon.

Obrázek 9: Blokové schéma 3300W dvojčinné vyhodnocovací desky PFC EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 zobrazuje topologii, která podává výkonovou hustotu dle údajů uváděných pro desku – 72 W na kubický palec. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies)

Tato dvojčinná PFC využívá kombinaci křemíkových tranzistorů MOSFET CoolSiC SiC IMZA65R048M1 společnosti Infineon se 64 mΩ, 650 V a křemíkových výkonových tranzistorů MOSFET CoolMOS C7 IPW60R017C7 se 17 mΩ, 600 V. Měnič funguje exkluzivně při vysokém vedení (min. 176 V rms, jmenov. 230 V rms) v režimu CCM s frekvencí spínání 65 kHz. Při poloviční zátěži dosahuje účinnosti až 99 %. Mezi další zařízení společnosti Infineon použitá v 3300W obousměrném dvojčinném řešení (PFC/AC-DC a invertor/AC-DC) patří:

• Izolované ovladače brány 2EDF7275FXUMA1
• Řídicí jednotka flyback ICE5QSAGXUMA1 s tranzistorem MOSFET IPU95R3K7P7 950 V CoolMOS P7 pro pomocné napájení předpětí
• Mikrokontrolér pro implementace řízení PFC XMC1404

Závěr

Nízký účiník způsobuje neefektivitu v síti provozovatelů a ve výkonových měničích, čímž se PFC stává nezbytnou pro celou řadu výkonových zařízení střídavé sítě. Pro konkrétní typy elektronických zařízení jsou také stanoveny předpisy určující minimální úrovně účiníku. Z důvodu splnění těchto zákonných požadavků a také k řešení požadavku na stále menší velikost a lepší výkon potřebují návrháři alternativu k jednoduchým a levným pasivním technikám PFC.

Jak jsme si ukázali, návrháři mohou místo toho použít aktivní provedení PFC pomocí technik digitální regulace a širokopásmových vodičů, jako jsou SiC a GaN, aby se dosáhlo vyššího účiníku a kompaktnějšího designu.

Doporučeno k přečtení

1. Návrh účinných řešení kompenzace účiníku s korekcí a prokládanou topologií
2. Používání tranzistorů MOSFET na bázi křemíku k vylepšení účinnosti přeměny energie