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使用宽带隙变送器和数字控制设计更有效的功率因数校正
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使用宽带隙变送器和数字控制设计更有效的功率因数校正

时间:2020-10-15 10:46:28

   功率因数校正(PFC)对于使交流市电供电的设备(包括交流/直流电源,电池充电器,基于电池的能量存储系统,电动机驱动器和不间断电源)的效率非常大化是必要的。它的重要性在于,存在规定特定类型的电子设备的非常小功率因数(PF)级别的法规。sji压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

 
为了在不断缩小的外形尺寸内不断面临改善整体性能的压力下满足这些法规,设计人员正在转向有源PFC设计,该设计利用数字控制技术和宽带隙变送器(例如碳化硅(SiC)和氮化镓( GaN)。
 
本文回顾了PF概念和定义,包括IEEE和IEC以及相关标准之间的不同定义。然后,它先容了STMicroelectronics,Transphorm,Microchip Technology和Infineon Technologies等供应商提供的PFC解决方案,设计人员可以使用这些解决方案通过宽带隙变送器和数字控制来实现PFC,包括使用评估板。
 
什么是功率因数校正,为什么需要它?
PF是系统无功功率水平的度量。无功功率不是真正的功率,而是代表彼此异相的伏特和安培的影响(图1)。由于它们异相,因此它们无法有效地发挥作用,但仍然会成为交流市电电源线的负载。系统中的无功功率量是能量传输效率低下的一种度量。有源PFC使用功率电子器件来改变负载汲取的电流波形的相位和/或形状,以改善PF。使用PFC可以提高整体系统效率。
PF定义为θ的余弦
在线性或非线性负载中,PF可能会变差。非线性负载会使电压波形或电流波形或两者同时失真。当涉及非线性负载时,称为失真PF。
 
线性负载不会使输入波形的形状失真,但会由于其电感和/或电容而改变电压和电流之间的相对时序(相位)(图2)。包含主要电阻性负载的电路(例如,白炽灯和加热元件)的功率因数约为1.0,但是包含电感性或电容性负载的电路(例如,开关模式功率转换器,电动机,电磁阀,变压器和镇流器)可以PF远低于1.0。
线性负载从交流电压和电流计算得出的瞬时功率和平均功率
大多数电子负载不是线性的。非线性负载的示例是开关模式功率转换器和电弧放电设备,例如荧光灯,电焊机或电弧炉。由于这些系统中的电流被开关动作中断,因此电流包含的频率分量是电力系统频率的倍数。失真PF是负载电流的谐波失真会降低传输到负载的平均功率多少的度量。
 
正弦电压(黄色)和非正弦电流(蓝色)
落后和lingxianPF的区别
PF滞后表示电流滞后(落后于电压),PFlingxian表示电流滞后(lingxian于电压)。对于电感负载(例如,感应电动机,线圈和某些灯),电流滞后于电压,从而产生滞后的PF。对于电容性负载(例如,同步电容器,电容器组和电子功率转换器),电流超前电压,导致超前PF。
 
滞后或lingxian的区别并不等于正值或负值。PF值之前的负号和正号由所使用的标准(IEEE或IEC)确定。
 
PF和IEEE与IEC
图4中的图表显示了IEEE和IEC标准的功率千瓦(kW),无功伏安(var),功率因数以及感性或容性负载之间的相关性。每个组织使用不同的指标对PF进行分类。
功率因数符号仅取决于负载的性质
图4:根据IEC(左),功率因数符号仅取决于实际功率流的方向,并且与电感性或电容性负载无关。根据IEEE(右),功率因数符号仅取决于负载的性质(电容性或电感性)。在这种情况下,它与有功功率的方向无关。(图片来源:施耐德电气)
 
根据IEC(图4的左侧),PF符号仅取决于有功功率的方向,并且与电感性或电容性负载无关。根据IEEE(图4的右侧),PF符号仅取决于负载的性质(电容性或电感性)。在这种情况下,它与有功功率方向无关。对于感性负载,PF为负。对于容性负载,PF为正。
 
PF标准
欧盟等监管机构已设定谐波限值以改善功率因数。为了符合当前的欧盟标准EN61000-3-2(基于IEC 61000-3-2),所有输出功率超过75瓦的开关电源必须包括PFC。EnergyStar的80 PLUS电源认证要求在100%额定输出功率下的PF为0.9或更高,并且需要有源PFC。撰写本文时,IEC标准的非常新版本为:IEC 61000-3-2:2018,“电磁兼容性(EMC)-第3-2部分:限值-谐波电流发射限值(设备输入电流≤16A)每个阶段)。”
 
未经校正的开关模式电源转换器不符合当前的PFC标准。影响PF的一个考虑因素是使用哪种类型的AC输入:单相或三相。未校正的单相开关电源的PF通常约为0.65至0.75(使用上述PF符号的IEEE约定)。这是因为大多数设备使用整流器/电容器前端来产生直流总线电压。这种配置仅在每个线路周期的峰值处汲取电流,从而产生狭窄的高电流脉冲,从而导致PF较差(请参见上面的图3)。
 
三相未校正的开关模式功率转换器具有较高的PF,通常接近0.85(也使用PF符号的IEEE约定)。这是因为即使使用整流器/电容器来产生DC总线电压,也有三相可以相加地改善整体PF。但是,如果不使用有源PF校正电路,则单相或三相开关模式功率转换器都无法满足当前的PF规定。
 
使用WBG变送器和数字控制设计有源PFC
数字控制技术和包括GaN和SiC的宽带隙功率变送器的使用为设计人员提供了有源PFC电路的新选择,与基于模拟控制或无源PFC设计的有源PFC设计相比,有源PFC电路可以提供更高的效率和更高的功率密度。
 
设计人员可以用高级数字控制技术代替模拟控制器,或者用包括微控制器在内的其他数字控制元件来补充模拟控制,以实现非常大的PFC性能。在某些情况下,WBG变送器也可用于改善PFC性能。
 
组件成本的下降加快了PFC两种不同方法的实施:交错设计和无桥设计。每种方法都会带来不同的好处:
 
交错式PFC的优点:
效率更高
改善热分布
降低通过PFC级的均方根电流
模块化
无桥PFC的优点:
效率更高
将输入整流中的损失减半
改善热分布
更高的功率密度
 
三通道交错式PFC控制器结合了模拟和数字控制
意法变送器(STMicroelectronics)的STNRGPF01控制器是一种可配置的ASIC,结合了数字和模拟控制,并可以在交错的PFC中驱动多达三个通道(图5)。该设备在固定频率下以平均电流模式控制以连续导通模式(CCM)工作,并实现混合信号(模拟/数字)控制。模拟内部电流环路由硬件实行,以确保逐周期调节。外部电压环路由具有快速动态响应的数字比例积分(PI)控制器实行。
STNRGPF01的功能框图
图5:STNRGPF01的功能框图显示了三相交错式PFC应用中的内部模拟控制部分(红色)和外部数字控制部分(绿色)。(图片来源:意法变送器
 
STNRGPF01实施了灵活的相位削减策略,该策略可根据实际负载条件启用正确数量的PFC通道。借助该功能,STNRGPF01始终能够在各种负载电流要求下保证非常高的功率效率。
 
该控制器具有多种功能:浪涌电流控制,软启动,突发模式冷却管理和状态指示。它还具有全套嵌入式保护功能,可防止过压,过流和热故障。
 
为了帮助设计人员入门,意法变送器还提供了基于STNRGPF01的STEVAL-IPFC01V1 3 kW PFC电源管理评估板(图6)。功能和规格包括:
 
输入电压范围:90至265 V AC
线路频率范围:47至63赫兹(Hz)
非常大输出功率:230伏特时为3千瓦
输出电压:400伏
PF:20%负载时> 0.98
总谐波失真:在20%负载下<5%
混合信号控制
开关频率:111千赫兹(kHz)
逐周期调节(模拟电流控制回路)
输入电压和负载前馈
相脱落
突发模式操作
STEVAL-IPFC01V1框图
图6:STEVAL-IPFC01V1框图,显示:1. I / O测量信号;2.模拟电路;3.功率级;4.数字控制部分,带STNRGPF01数字控制器;在三相交错式PFC中。(图片来源:意法变送器
除STNRGPF01混合信号控制器外,该评估板还包括STW40N60M2 N通道,600伏,34安培(A)低Qg硅功率MOSFET和PM8834TR栅极驱动器IC。
 
具有GaN FET的无桥图腾柱PFC
开发了无桥PFC拓扑以消除与使用二极管桥式整流相关的电压降和效率低下的问题。WBG功率变送器(例如GaN和SiC)的出现使无桥图腾柱PFC成为可能(图7)。在传统的图腾柱设计(a)中,两个GaN FET和两个二极管用于线路整流。在无桥图腾柱修改(b)中,二极管被两个低电阻硅MOSFET取代,以取代二极管的电流-电压(IV)下降以提高效率。
两个GaN FET和两个二极管用于线路整流
图7:在传统图腾柱设计中,两个GaN FET和两个二极管用于线路整流(a);在改进的电路(b)中,二极管被两个低电阻硅MOSFET取代,以取代二极管的电流-电压降,从而提高了无桥图腾柱的效率。(图片来源:Transphorm)
 
与硅MOSFET相比,GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的反向恢复电荷(Qrr)小得多,这使得无桥图腾柱设计变得切实可行(图8)。在CCM中图腾柱PFC的简化示意图中,重点在于非常小化传导损耗。
CCM模式下图腾柱PFC的简化示意图
图8:CCM模式下图腾柱PFC的简化示意图包括两个以高脉冲宽度调制频率工作并用作升压转换器的快速开关GaN HEMT(Q1和Q2),以及两个非常低电阻的MOSFET(S1和Q2) S2)以较慢的线路频率(50Hz / 60Hz)运行。(图片来源:Transphorm)
该电路包括两个快速开关的GaN HEMT(Q1和Q2)和两个非常低电阻的MOSFET(S1和S2)。Q1和Q2以高脉宽调制(PWM)频率工作,并用作升压转换器。S1和S2在较慢的线路频率(50 Hz / 60 Hz)下运行,并用作同步整流器。初级电流路径仅包括一个快速开关和一个缓慢开关,没有二极管压降。S1和S2的作用是同步整流器,如图8(b)和8(c)所示。在正交流周期中,S1接通而S2关断,迫使连接到负极端子的交流中性线进入直流输出。负周期则相反。
 
 
设计人员可以使用Transphorm的TDTTP4000W066C 4 kW无桥图腾柱PFC评估板来研究电路的工作情况。它使用Microchip Technology的MA330048 dsPIC33CK256MP506数字电源插入模块(PIM)作为控制器。Transphorm的Gen IV(SuperGaN)TP65H035G4WS GaN FET可实现非常高效率的单相转换。在电路的快速开关脚中使用Transphorm GaN FET,在电路的慢速开关脚中使用低电阻MOSFET可以提高性能和效率。
 
双向图腾柱PFC结合了硅FET和SiC FET
对于电网交互式电池电动汽车和基于电池的储能系统的设计人员,英飞凌提供了EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1评估板,一个具有双向功率功能的3300瓦图腾柱PF校正器(图9)。这种无桥图腾柱PFC板的功率密度高达每立方英寸72瓦。EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1板上实现的图腾柱在CCM下以整流器(PFC)和逆变器模式工作,并使用Infineon XMC1000系列微控制器实现全数字控制。
 
图9:EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 3300瓦图腾柱PFC评估板的框图显示了拓扑,该拓扑可提供评估板指定的每立方英寸功率密度72瓦。(图片来源:英飞凌科技企业)
该图腾柱PFC结合使用了英飞凌的IMZA65R048M1 64毫欧(mΩ),650伏,CoolSiC SiC MOSFET及其IPW60R017C7 17mΩ,600伏,CoolMOS C7硅功率MOSFET的组合。该转换器仅在CCM的高电压线路(非常小176伏rms,标称230伏rms)下工作,开关频率为65 kHz,在半负载时效率高达99%。在此3300瓦双向(PFC / AC-DC和逆变器/ AC-DC)图腾柱解决方案中使用的其他Infineon设备包括:
 
2EDF7275FXUMA1隔离式栅极驱动器
带有IPU95R3K7P7 950伏CoolMOS P7 MOSFET的ICE5QSAGXUMA1 QR反激控制器,用于偏置辅助电源
XMC1404微控制器,用于PFC控制实现
结论
PF低会导致公用电网和电源转换器的效率低下,使得PFC对于各种交流电源设备都是必需的,法规规定了特定类型电子设备的非常低PF级别。为了满足这些法规要求,同时满足对更小尺寸和更高性能的需求,设计人员需要一种简单,低成本无源PFC技术的替代产品。
 
如图所示,设计人员可以改为使用数字控制技术和WBG变送器(例如SiC和GaN)来实现有源PFC设计,以实现更高的PF和更紧凑的设计。
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