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使用寬帶隙變送器和數字控制設計更有效的功率因數校正
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使用寬帶隙變送器和數字控制設計更有效的功率因數校正

時間:2020-10-15 10:46:28

   功率因數校正(PFC)對于使交流市電供電的設備(包括交流/直流電源,電池充電器,基于電池的能量存儲系統,電動機驅動器和不間斷電源)的效率非常大化是必要的。它的重要性在于,存在規定特定類型的電子設備的非常小功率因數(PF)級別的法規。sji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不斷面臨改善整體性能的壓力下滿足這些法規,設計人員正在轉向有源PFC設計,該設計利用數字控制技術和寬帶隙變送器(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以及相關標準之間的不同定義。然后,它介紹了STMicroelectronics,Transphorm,Microchip Technology和Infineon Technologies等供應商提供的PFC解決方案,設計人員可以使用這些解決方案通過寬帶隙變送器和數字控制來實現PFC,包括使用評估板。
 
什么是功率因數校正,為什么需要它?
PF是系統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揮作用,但仍然會成為交流市電電源線的負載。系統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可以提高整體系統效率。
PF定義為θ的余弦
在線性或非線性負載中,PF可能會變差。非線性負載會使電壓波形或電流波形或兩者同時失真。當涉及非線性負載時,稱為失真PF。
 
線性負載不會使輸入波形的形狀失真,但會由于其電感和/或電容而改變電壓和電流之間的相對時序(相位)(圖2)。包含主要電阻性負載的電路(例如,白熾燈和加熱元件)的功率因數約為1.0,但是包含電感性或電容性負載的電路(例如,開關模式功率轉換器,電動機,電磁閥,變壓器和鎮流器)可以PF遠低于1.0。
線性負載從交流電壓和電流計算得出的瞬時功率和平均功率
大多數電子負載不是線性的。非線性負載的示例是開關模式功率轉換器和電弧放電設備,例如熒光燈,電焊機或電弧爐。由于這些系統中的電流被開關動作中斷,因此電流包含的頻率分量是電力系統頻率的倍數。失真PF是負載電流的諧波失真會降低傳輸到負載的平均功率多少的度量。
 
正弦電壓(黃色)和非正弦電流(藍色)
落后和lingxianPF的區別
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)。對于電感負載(例如,感應電動機,線圈和某些燈),電流滯后于電壓,從而產生滯后的PF。對于電容性負載(例如,同步電容器,電容器組和電子功率轉換器),電流超前電壓,導致超前PF。
 
滯后或lingxian的區別并不等于正值或負值。PF值之前的負號和正號由所使用的標準(IEEE或IEC)確定。
 
PF和IEEE與IEC
圖4中的圖表顯示了IEEE和IEC標準的功率千瓦(kW),無功伏安(var),功率因數以及感性或容性負載之間的相關性。每個組織使用不同的指標對PF進行分類。
功率因數符號僅取決于負載的性質
圖4:根據IEC(左),功率因數符號僅取決于實際功率流的方向,并且與電感性或電容性負載無關。根據IEEE(右),功率因數符號僅取決于負載的性質(電容性或電感性)。在這種情況下,它與有功功率的方向無關。(圖片來源:施耐德電氣)
 
根據IEC(圖4的左側),PF符號僅取決于有功功率的方向,并且與電感性或電容性負載無關。根據IEEE(圖4的右側),PF符號僅取決于負載的性質(電容性或電感性)。在這種情況下,它與有功功率方向無關。對于感性負載,PF為負。對于容性負載,PF為正。
 
PF標準
歐盟等監管機構已設定諧波限值以改善功率因數。為了符合當前的歐盟標準EN61000-3-2(基于IEC 61000-3-2),所有輸出功率超過75瓦的開關電源必須包括PFC。EnergyStar的80 PLUS電源認證要求在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,IEC標準的非常新版本為:IEC 61000-3-2:2018,“電磁兼容性(EMC)-第3-2部分:限值-諧波電流發射限值(設備輸入電流≤16A)每個階段)。”
 
未經校正的開關模式電源轉換器不符合當前的PFC標準。影響PF的一個考慮因素是使用哪種類型的AC輸入:單相或三相。未校正的單相開關電源的PF通常約為0.65至0.75(使用上述PF符號的IEEE約定)。這是因為大多數設備使用整流器/電容器前端來產生直流總線電壓。這種配置僅在每個線路周期的峰值處汲取電流,從而產生狹窄的高電流脈沖,從而導致PF較差(請參見上面的圖3)。
 
三相未校正的開關模式功率轉換器具有較高的PF,通常接近0.85(也使用PF符號的IEEE約定)。這是因為即使使用整流器/電容器來產生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,則單相或三相開關模式功率轉換器都無法滿足當前的PF規定。
 
使用WBG變送器和數字控制設計有源PFC
數字控制技術和包括GaN和SiC的寬帶隙功率變送器的使用為設計人員提供了有源PFC電路的新選擇,與基于模擬控制或無源PFC設計的有源PFC設計相比,有源PFC電路可以提供更高的效率和更高的功率密度。
 
設計人員可以用高級數字控制技術代替模擬控制器,或者用包括微控制器在內的其他數字控制元件來補充模擬控制,以實現非常大的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兩種不同方法的實施:交錯設計和無橋設計。每種方法都會帶來不同的好處:
 
交錯式PFC的優點:
效率更高
改善熱分布
降低通過PFC級的均方根電流
模塊化
無橋PFC的優點:
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
 
三通道交錯式PFC控制器結合了模擬和數字控制
意法變送器(STMicroelectronics)的STNRGPF01控制器是一種可配置的ASIC,結合了數字和模擬控制,并可以在交錯的PFC中驅動多達三個通道(圖5)。該設備在固定頻率下以平均電流模式控制以連續導通模式(CCM)工作,并實現混合信號(模擬/數字)控制。模擬內部電流環路由硬件執行,以確保逐周期調節。外部電壓環路由具有快速動態響應的數字比例積分(PI)控制器執行。
STNRGPF01的功能框圖
圖5:STNRGPF01的功能框圖顯示了三相交錯式PFC應用中的內部模擬控制部分(紅色)和外部數字控制部分(綠色)。(圖片來源:意法變送器
 
STNRGPF01實施了靈活的相位削減策略,該策略可根據實際負載條件啟用正確數量的PFC通道。借助該功能,STNRGPF01始終能夠在各種負載電流要求下保證非常高的功率效率。
 
該控制器具有多種功能:浪涌電流控制,軟啟動,突發模式冷卻管理和狀態指示。它還具有全套嵌入式保護功能,可防止過壓,過流和熱故障。
 
為了幫助設計人員入門,意法變送器還提供了基于STNRGPF01的STEVAL-IPFC01V1 3 kW PFC電源管理評估板(圖6)。功能和規格包括:
 
輸入電壓范圍:90至265 V AC
線路頻率范圍:47至63赫茲(Hz)
非常大輸出功率:230伏特時為3千瓦
輸出電壓:400伏
PF:20%負載時> 0.98
總諧波失真:在20%負載下<5%
混合信號控制
開關頻率:111千赫茲(kHz)
逐周期調節(模擬電流控制回路)
輸入電壓和負載前饋
相脫落
突發模式操作
STEVAL-IPFC01V1框圖
圖6:STEVAL-IPFC01V1框圖,顯示:1. I / O測量信號;2.模擬電路;3.功率級;4.數字控制部分,帶STNRGPF01數字控制器;在三相交錯式PFC中。(圖片來源:意法變送器
除STNRGPF01混合信號控制器外,該評估板還包括STW40N60M2 N通道,600伏,34安培(A)低Qg硅功率MOSFET和PM8834TR柵極驅動器IC。
 
具有GaN FET的無橋圖騰柱PFC
開發了無橋PFC拓撲以消除與使用二極管橋式整流相關的電壓降和效率低下的問題。WBG功率變送器(例如GaN和SiC)的出現使無橋圖騰柱PFC成為可能(圖7)。在傳統的圖騰柱設計(a)中,兩個GaN FET和兩個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GaN FET和兩個二極管用于線路整流
圖7:在傳統圖騰柱設計中,兩個GaN FET和兩個二極管用于線路整流(a);在改進的電路(b)中,二極管被兩個低電阻硅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)的反向恢復電荷(Qrr)小得多,這使得無橋圖騰柱設計變得切實可行(圖8)。在CCM中圖騰柱PFC的簡化示意圖中,重點在于非常小化傳導損耗。
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以高脈沖寬度調制頻率工作并用作升壓轉換器的快速開關GaN HEMT(Q1和Q2),以及兩個非常低電阻的MOSFET(S1和Q2) S2)以較慢的線路頻率(50Hz / 60Hz)運行。(圖片來源:Transphorm)
該電路包括兩個快速開關的GaN HEMT(Q1和Q2)和兩個非常低電阻的MOSFET(S1和S2)。Q1和Q2以高脈寬調制(PWM)頻率工作,并用作升壓轉換器。S1和S2在較慢的線路頻率(50 Hz / 60 Hz)下運行,并用作同步整流器。初級電流路徑僅包括一個快速開關和一個緩慢開關,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關斷,迫使連接到負極端子的交流中性線進入直流輸出。負周期則相反。
 
 
設計人員可以使用Transphorm的TDTTP4000W066C 4 kW無橋圖騰柱PFC評估板來研究電路的工作情況。它使用Microchip Technology的MA330048 dsPIC33CK256MP506數字電源插入模塊(PIM)作為控制器。Transphorm的Gen IV(SuperGaN)TP65H035G4WS GaN FET可實現非常高效率的單相轉換。在電路的快速開關腳中使用Transphorm GaN FET,在電路的慢速開關腳中使用低電阻MOSFET可以提高性能和效率。
 
雙向圖騰柱PFC結合了硅FET和SiC FET
對于電網交互式電池電動汽車和基于電池的儲能系統的設計人員,英飛凌提供了EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1評估板,一個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板的功率密度高達每立方英寸72瓦。EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1板上實現的圖騰柱在CCM下以整流器(PFC)和逆變器模式工作,并使用Infineon XMC1000系列微控制器實現全數字控制。
 
圖9:EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 3300瓦圖騰柱PFC評估板的框圖顯示了拓撲,該拓撲可提供評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。該轉換器僅在CCM的高電壓線路(非常小176伏rms,標稱230伏rms)下工作,開關頻率為65 kHz,在半負載時效率高達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設備包括:
 
2EDF7275FXUMA1隔離式柵極驅動器
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控制實現
結論
PF低會導致公用電網和電源轉換器的效率低下,使得PFC對于各種交流電源設備都是必需的,法規規定了特定類型電子設備的非常低PF級別。為了滿足這些法規要求,同時滿足對更小尺寸和更高性能的需求,設計人員需要一種簡單,低成本無源PFC技術的替代產品。
 
如圖所示,設計人員可以改為使用數字控制技術和WBG變送器(例如SiC和GaN)來實現有源PFC設計,以實現更高的PF和更緊湊的設計。
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