Suunnittele tehokkaampi tehokertoimen korjaus leveää energiarakoa käyttävillä puolijohteilla ja digitaalisella ohjauksella

Tehokertoimen korjaus (PFC) on välttämätöntä AC-verkkovirtaa käyttävien laitteiden kuten AC/DC-virtalähteiden, akkulaturien, akkupohjaisten energiantallennusjärjestelmien, moottorikäyttöjen ja keskeytymättömien virransyöttöjen tehokkuuden maksimointia varten. Sen tärkeys on niin merkittävä, että on olemassa määräyksiä, jotka säätävät minimit tehokerrointasot (PF) tietyntyyppisille elektroniikkalaitteille.

Jotta nämä vaatimukset voitaisiin täyttää samalla kun suunnittelijoilla on jatkuva paine parantaa yleistä tehokkuutta ja pienentää laitteita jatkuvasti, suunnittelijat ovat alkaneet suosia aktiivisia PFC-rakenteita, jotka hyödyntävät digitaalisia ohjaustekniikoita ja leveän energiaraon puolijohteita, kuten piikarbidia (SiC) ja galliumnitridiä (GaN).

Tämä artikkeli tarkastelee PF-konsepteja ja -määritelmiä sekä IEEE:n ja IEC:n ja muiden standardien määritelmien välisiä eroja. Tämän jälkeen artikkeli esittelee eri valmistajien, kuten STMicroelectronicsin, Transphormin, Microchip Technologyn ja Infineon Technologiesin, PFC-ratkaisuja, joita suunnittelijat voivat hyödyntää PFC:n toteutukseen käyttämällä leveän energiaraon puolijohteita ja digitaalista ohjausta sekä arviointialustoja.

Mitä tehokertoimen korjaus on ja miksi sitä tarvitaan?

PF on reaktiivisen tehotason mitta järjestelmässä. Reaktiivinen teho ei ole todellista tehoa, vaan se edustaa toisiinsa nähden eri vaiheissa olevien volttien ja ampeerien vaikutusta (kuva 1). Koska ne ovat eri vaiheissa, niitä ei voi käyttää työn tekemiseen, mutta silti ne näkyvät AC-verkolle kuormana. Järjestelmässä olevan reaktiivisen tehon määrä on yksi energiansiirron tehottomuustason mitta. Aktiivinen PFC parantaa PF-arvoa muuttamalla tehoelektroniikalla vaihetta ja/tai kuorman käyttämän virran aaltomuotoa. PFC:n käyttö lisää järjestelmien yleistä tehokkuutta.

Kuva 1: PF on määritelty arvoksi kosini θ ja se esittää kuorman käyttämän pätötehon ja piirin näennäistehon välistä suhdetta. Reaktiivinen teho aiheuttaa näiden kahden välisen eron. Kun reaktiivinen teho lähestyy nollaa, kuorma näkyy puhtaammin resistiivisenä, näennäisteho ja pätöteho ovat yhtä suuria ja PF:stä tulee 1,0. (Kuvan lähde: Wikipedia)

Lineaariset tai epälineaariset kuormat voivat aiheuttaa heikon PF:n. Epälineaariset kuormat vääristävät jännitteen aaltomuotoa tai virran aaltomuotoa tai molempia. Kun piiri sisältää epälineaarisia kuormia, sitä kutsutaan PF-vääristymäksi.

Lineaarinen kuorma ei vääristä tulon aaltomuotoa, mutta saattaa muuttaa suhteellista ajoitusta (vaihetta) jännitteen ja virran välillä kuorman induktanssin ja/tai kapasitanssin vuoksi (kuva 2). Pääosin resistiivisiä kuormia (esim. hehkulamput ja lämmityselementit) sisältävien sähköpiirien PF on lähes 1,0, kun taas induktiivisia tai kapasitiivisia kuormia (esim. hakkurimuuntajat, sähkömoottorit, solenoidiventtiilit, muuntajat ja lamppujen liitäntälaitteet) sisältävien piirien PF voi olla paljon alle 1,0.

Kuva 2: AC-jännitteestä ja -virrasta laskettu hetkellinen teho ja keskiteho induktiivisella – eli virta on jännitettä jäljessä – PF-arvolla 0,71 lineaarisesta kuormasta. (Kuvan lähde: CUI, Inc.)

Useimmat sähkökuormat eivät ole lineaarisia. Esimerkkejä epälineaarisista kuormista ovat hakkurimuuntajat ja kaaripurkauslaitteet kuten loistelamput, sähköhitsauskoneet tai valokaariuunit. Koska kytkimen toiminta katkaisee näissä järjestelmissä sähkövirran, sähkövirta sisältää taajuuskomponentteja, jotka ovat virtajärjestelmän taajuuden monikertoja. PF-vääristymä mittaa sitä, miten paljon kuormavirran harmoninen särö pienentää kuormaan siirtyvää keskivirtaa.

Kuva 3: Sinimuotoinen jännite (keltainen) ja ei-sinimuotoinen virta (sininen) antavat tälle tietokoneen virtalähteelle (epälineaarinen kuorma) PF-vääristymäksi 0,75. (Kuvan lähde: Wikipedia)

Induktiivisen ja kapasitiivisen PF:n välinen ero

Induktiivinen PF tarkoittaa, että virta on jännitettä jäljessä (sen takana) ja kapasitiivinen PF tarkoittaa, että virta on jännitteen edellä (sitä ennen). Induktiivisissa kuormissa (esim. induktiomoottorit, käämit ja jotkin lamput) virta on jännitettä jäljessä, mikä tuottaa induktiivisen PF:n. Kapasitiivisissa kuormissa (esim. synkroniset lauhduttimet, kondensaattoriryhmät ja elektroniset tehomuuntimet) virta on jännitettä edellä, mikä tuottaa kapasitiivisen PF:n.

Induktiivinen ja kapasitiivinen erottelu ei ole sama kuin positiivinen tai negatiivinen arvo. PF-arvoa edeltävän miinus- ja plus-merkin määrittelee käytettävä standardi—IEEE tai IEC.

PF ja IEEE versus IEC

Kuvan 4 kaaviot näyttävät kilowattien (kW) tehon, volttiampeerin reaktiivisen (var) tehon, tehokertoimen ja induktiivisten tai kapasitiivisten kuormien välisen korrelaation sekä IEEE- että IEC-standardeissa. Kukin organisaatio käyttää eri mittareita PF:n luokitukseen.

Kuva 4: IEC:n (vasemmalla) mukaan tehokertoimen merkki riippuu pelkästään todellisen virran suunnasta eikä riipu kuorman induktiivisuudesta tai kapasitiivisuudesta. IEEE:n (oikealla) mukaan tehokertoimen merkki riippuu pelkästään kuorman luonteesta (joka on kapasitiivinen tai induktiivinen). Tässä tapauksessa se on riippumaton virran todellisesta suunnasta. (Kuvan lähde: Schneider Electric)

IEC:n (kuvan 4 vasen puoli) mukaan PF-merkki riippuu pelkästään todellisen virran suunnasta ja se on kuorman induktiivisuudesta tai kapasitiivisuudesta riippumaton. IEEE:n (kuvan 4 oikea puoli) mukaan PF-merkki riippuu pelkästään kuorman luonteesta (joka on kapasitiivinen tai induktiivinen). Tässä tapauksessa se on riippumaton virran todellisesta suunnasta. Induktiiviselle kuormalle PF on negatiivinen. Kapasitiiviselle kuormalle PF on positiivinen.

PF-standardit

Säädäntöviranomaiset, kuten EU, ovat asettaneet raja-arvoja harmonisille yliaalloille PF:n parantamiseksi. Voimassa olevan EU-standardin EN 61000-3-2 (joka perustuu standardiin IEC 61000-3-2) mukaan kaikkien hakkurivirtalähteiden, joiden lähtöteho ylittää 75 W, täytyy sisältää tehokertoimen korjaus. EnergyStarin 80 PLUS -virtalähdesertifiointi vaatii, että PF on vähintään 0,9 nimellislähtöteholla 100 %, ja se edellyttää aktiivista tehokertoimen korjausta (PFC). IEC-standardin viimeisin versio on tätä kirjoitettaessa: IEC 61000-3-2:2018, ”Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC). Osa 3-2: Raja-arvot - raja-arvot harmonisille virtahäiriöille (laitteet, joiden ottovirta on enintään 16 A/vaihe))”.

Korjaamattomat hakkurimuuntajat eivät täytä nykyisiä PFC-standardeja. Yksi tehokertoimeen vaikuttava seikka on se, minkä tyyppistä AC-tuloa käytetään: yksivaihe vai kolmivaihe. Korjaamattomissa yksivaiheisissa hakkurivirtalähteissä tehokerroin on noin 0,65–0,75 (käytettäessä yllä kuvailtua IEEE:n PF-merkkikäytäntöä). Tämä johtuu siitä, että useimmat yksiköt käyttävät tasasuuntaajan/kondensaattorin etuastetta DC-väyläjännitteen luontiin. Tämä konfiguraatio kuluttaa virtaa vain kunkin jakson huipussa ja luo kapeita, korkeita virtapulsseja, joiden seurauksena PF on heikko (katso yllä oleva kuva 3).

Korjaamattomissa kolmivaihe-hakkurimuuntajissa on korkeampi tehokerroin, usein lähes 0,85 (tässäkin käytetään yllä kuvailtua IEEE:n PF-merkkikäytäntöä). Tämä johtuu siitä, että vaikka DC-väyläjännitteen luontiin käytetäänkin tasasuuntaajaa/kondensaattoria, yleistä tehokerrointa additiivisesti parantavia vaiheita on kolme. Kuitenkaan yksi- ja kolmivaiheiset hakkurimuuntajat eivät täytä nykyisiä PF-vaatimuksia ilman aktiivisen PF-korjauspiirin käyttöä.

WBG-puolijohteet ja digitaalinen ohjaus aktiivisen tehokertoimen korjauksen (PFC) suunnittelussa

Digitaalisten ohjaustekniikoiden ja leveän energiaraon tehopuolijohteiden (GaN ja SiC mukaan lukien) käyttö suo suunnittelijoille uusia vaihtoehtoja aktiivisia PFC-piirejä varten. Nämä voivat tarjota korkeamman tehokkuuden ja korkeamman tehotiheyden analogiseen ohjaukseen perustuviin aktiivisiin PFC-malleihin ja passiivisiin PFC-malleihin verrattuna.

Suunnittelijat voivat korvata analogiset ohjaimet monipuolisilla digitaalisilla ohjaustekniikoilla tai täydentää analogista ohjausta ylimääräisillä digitaalisilla ohjauselementeillä, kuten mikrokontrollereilla, maksimaalisen PFC-tehokkuuden saavuttamiseksi. Joissakin tapauksissa PFC-tehokkuutta voidaan parantaa myös WBG-puolijohteilla.

Laskeneet komponenttihinnat ovat nopeuttaneet kahden erilaisen PFC-menetelmän toteuttamista: lomitettujen rakenteiden ja sillattomien rakenteiden. Kummallakin lähestymistavalla on omat etunsa:

• Lomitetun PFC:n hyödyt:
  • Korkeampi hyötysuhde
  • Parannettu lämmön jakautuminen
  • Alhaisempi rms-virta PFC-vaiheen kautta
  • Modulaarisuus
• Sillattoman PFC:n hyödyt:
  • Korkeampi hyötysuhde
  • Puolittaa tulon tasasuuntauksen häviöt
  • Parannettu lämmön jakautuminen
  • Korkeampi tehotiheys

Kolmikanavainen lomitettu PFC-ohjain yhdistää analogisen ja digitaalisen ohjauksen

STMicroelectronicsin STNRGPF01-ohjain on konfiguroitava ASIC, jossa yhdistyvät digitaalinen ja analoginen ohjaus ja joka voi ohjata jopa kolmea kanavaa lomitetussa PFC-tilassa (kuva 5). Laite toimii jatkuvassa johtavuustilassa (CCM) kiinteällä taajuudella käyttämällä keskimääräisen virran ohjaustilaa ja se käyttää sekasignaaliohjausta (analoginen/digitaalinen). Laitepuoli toteuttaa analogisen sisäisen virtasilmukan taaten syklikohtaisen säädön. Ulkoisen virtasilmukan toteuttaa digitaalinen PI (Proportional-Integral) -säädin nopealla dynaamisella vasteella.

Kuva 5: STNRGPF01-ohjaimen toimintalohkokaaviossa näkyy sisäinen analogisen ohjauksen osio (punainen) ja ulkoinen digitaalisen ohjauksen osio (vihreä) lomitetussa PFC-kolmivaihesovelluksessa. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

STNRGPF01 käyttää joustavaa vaiheirrotusstrategiaa, joka mahdollistaa todelliseen kuormatilanteeseen perustuvan oikean PFC-kanavamäärän. Tämän toiminnon ansiosta STNRGPF01 voi aina taata korkeimman hyötysuhteen monissa erilaisissa kuormavirtavaatimuksissa.

Ohjain tarjoaa useita toimintoja: virtapiikkien rajoitus, pehmeä käynnistys, pursketilan jäähdytyksen hallinta ja tilan ilmaisu. Sen ominaisuuksiin kuuluu myös kattava joukko sulautettuja suojaustoimintoja ylijännitettä, ylivirtaa ja lämpövikoja vastaan.

Jotta suunnittelijat pääsevät helposti alkuun, STMicroelectronics tarjoaa myös STEVAL-IPFC01V1:n, joka on STNRGPF01-ohjaimeen perustuva 3 kW:n arviointialusta PFC-tehonhallintaan (kuva 6). Ominaisuuksia ja teknisiä tietoja:

• Tulojännitealue: 90–265 V_AC
• Verkkotaajuusalue: 47–63 hertsiä (Hz)
• Maksimi lähtöteho: 3 kW / 230 V
• Lähtöjännite: 400 V
• PF: >0,98 20 %:n kuormalla
• Harmoninen kokonaissärö: <5 % 20 %:n kuormalla
• Sekasignaaliohjaus
• Kytkentätaajuus: 111 kilohertsiä (kHz)
• Syklikohtainen säätö (analoginen ohjausvirtasilmukka)
• Tulojännitteen ja kuormituksen myötäkytkennät
• Vaiheirrotus
• Pursketilatoiminto

Kuva 6: STEVAL-IPFC01V1-lohkokaaviossa näkyvät: 1. I/O-mittaussignaalit; 2. Analoginen piiristö; 3 Tehoaste; 4 Digitaalinen ohjausosio, jossa digitaalinen STNRGPF01-ohjain; lomitetussa PFC-kolmivaihesovelluksessa (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

STNRGPF01-sekasignaaliohjaimen ohella tämä arviointialusta sisältää STW40N60M2 -MOSFET-tehotransistorit (N-kanava, 600 V, 34 ampeeria (A), alhainen Qg, piistä) ja PM8834TR-hilaohjainmikropiirit.

Sillaton toteemipaalu-PFC, jossa GaN FET -transistorit

Sillattomat PFC-topologiat kehitettiin eliminoimaan diodien siltatasasuuntauksen käyttöön liittyvät jännitehäviöt ja teho-ongelmat. Markkinoille tulleet WBG-tehopuolijohteet, kuten GaN ja SiC, ovat mahdollistaneet sillattomat toteemipaalu-PFC:t (kuva 7). Perinteisessä toteemipaalurakenteessa (a) tasasuuntaukseen käytetään kahta GaN FET -transistoria ja kahta diodia. Sillattomassa toteemipaalumukautuksessa (b) diodit on korvattu kahdella alhaisen vastusarvon MOSFET-piitransistorilla. Nämä parantavat tehokkuutta poistamalla diodien virta- ja jännitehäviöt (IV).

Kuva 7: Tasasuuntaukseen käytetään kahta GaN FET -transistoria ja kahta diodia perinteisessä toteemipaalurakenteessa (a); muutetussa piirissä (b) sillattoman toteemipaalun tehokkuutta parannetaan korvaamalla diodit kahdella alhaisen vastusarvon MOSFET-piitransistorilla diodien virta- ja jännitehäviöiden poistamiseksi. (Kuvan lähde: Transphorm)

Sillattomat toteemipaalurakenteet ovat käytännöllisiä, koska GaN HEMT (High Electron Mobility Transistors) -transistoreilla on huomattavasti pienempi Qrr-arvo (reverse recovery charge) MOSFET-piitransistoreihin verrattuna (kuva 8). Tässä yksinkertaistetussa kaaviossa, jossa toteemipaalu-PFC on CCM-tilassa, painopiste on johtavuushäviöiden minimoinnissa.

Kuva 8: Yksinkertaistettu kaavio toteemipaalu-PFC:stä CCM-tilassa sisältää kaksi nopeasti kytkevää GaN HEMT -transistoria (Q1 ja Q2), jotka toimivat korkealla PWM-taajuudella ja joita käytetään jännitteen korotusmuuntimina, ja kaksi erittäin alhaisen vastuksen MOSFET-transistoria (S1 ja S2), jotka toimivat paljon hitaammalla verkkotaajuudella (50 Hz / 60 Hz). (Kuvan lähde: Transphorm)

Piiriin kuuluu kaksi nopeasti kytkevää GaN HEMT -transistoria (Q1 ja Q2) ja kaksi erittäin alhaisen vastuksen MOSFET-transistoria (S1 ja S2). Q1 ja Q2 toimivat korkealla PWM-taajuudella (Pulse Width Modulation) ja niitä käytetään jännitteenkorotusmuuntimina. S1 ja S2 toimivat paljon hitaammalla verkkotaajuudella (50 Hz / 60 Hz) ja niitä käytetään synkronoituna tasasuuntaajana. Ensiövirtapolku sisältää vain yhden nopean kytkimen ja yhden hitaan kytkimen, ilman diodin jännitepudotusta. S1:n ja S2:n tehtävä on toimia synkronoituna tasasuuntaajana, kuten kuvista 8(b) ja 8(c) näkyy. Positiivisen AC-jakson aikana S1 on päällä ja S2 on pois päältä, mikä pakottaa AC-nollajohtimen DC-lähdön negatiiviseen napaan. Päinvastainen pätee negatiiviseen jaksoon.

Jotta CCM-käyttö olisi mahdollista, ohjattavan transistorin runkodiodin täytyy toimia flyback-diodina induktorivirralle ja mahdollistaa sähkövirta siirtymävaiheen aikana. Diodivirran täytyy kuitenkin nopeasti laskea nollaan ja palautua estotilaan heti, kun isäntäkytkin kytkeytyy päälle. Tämä on toteemipaalu-PFC:lle kriittinen prosessi, josta seuraa korkeajännitteisten MOSFET-piitransistorien runkodiodin korkean Qrr-arvon takia epänormaaleja piikkejä, epävakautta ja tähän liittyviä korkeita kytkentähäviöitä. GaN-kytkinten alhainen Qrr auttaa suunnittelijoita ylittämään tämän esteen.

Suunnittelijat voivat tutkia piirin toimintaa käyttäen Transphormin TDTTP4000W066C-piiriä, joka toimii 4 kW:n sillattoman toteemipaalu-PFC:n arviointialustana. Siinä käytetään ohjaimena Microchip Technologyn digitaalista MA330048 dsPIC33CK256MP506 -tehokytkentämoduulia (PIM). Huipputehokas yksivaihemuunto saavutetaan käyttämällä Transphormin Gen IV (SuperGaN) TP65H035G4WS -GaN FET -transistoria. Transphormin GaN FET -transistorien käyttäminen piirin nopeasti kytkevässä osassa ja alhaisen vastuksen MOSFET-transistorien käyttäminen piirin hitaasti kytkevässä osassa takaa paremman suorituskyvyn ja hyötysuhteen.

Kaksisuuntaisessa toteemipaalu-PFC:ssä yhdistyvät FET-piitransistorit ja SiC FET -transistorit

Infineon tarjoaa verkoissa interaktiivisten akkusähköautojen ja akkupohjaisten energiantallennusjärjestelmien suunnittelijoille EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1-arviointialustan, joka sisältää 3300 W:n toteemipaalu-PF-korjaimen ja joka soveltuu kaksisuuntaiselle virralle (kuva 9). Tämä sillaton toteemipaalu-PFC-kortti tarjoaa korkean tehotiheyden, 72 W kuutiotuumaa kohti. EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1-kortissa toteutettu toteemipaalu toimii CCM-tilassa sekä tasasuuntaus (PFC)- että invertteritilassa. Infineon XMC1000 -sarjan mikrokontrolleri toteuttaa täyden digitaalisen ohjauksen.

Kuva 9: Lohkokaavio EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1-piiristä, 3300 W.n toteemipaalulla varustetusta PFC-arviointialustasta näyttää topologian, joka tarjoaa kortille spesifioidun tehotiheyden 72 W kuutiotuumaa kohti. (Kuvan lähde: Infineon Technologies)

Tässä toteemipaalu-PFC:ssä yhdistyvät Infineonin IMZA65R048M1:t, 64 milliohmin (mΩ), 650 V:n, CoolSiC SiC MOSFET -transistorit sekä sen IPW60R017C7 17 mΩ:n 600 V:n CoolMOS C7 MOSFET-tehopiitransistorit. Muunnin toimii yksinomaan korkealla verkkojännitteellä (vähintään 176 V rms, nimellisjännite 230 V rms) jatkuvassa johtavuustilassa (CCM) 65 kilohertsin (kHz) kytkentätaajuudella ja saavuttaa jopa 99 %:n tehokkuuden puolella kuormituksella. Muita tässä 3300 W:n kaksisuuntaisessa (PFC/AC-DC ja invertteri/AC-DC) toteemipaaluratkaisussa käytettäviä Infineon-laitteita ovat:

• Erotetut hilaohjaimet 2EDF7275FXUMA1
• QR Flyback-ohjain ICE5QSAGXUMA1 ja 950 V:n CoolMOS P7 MOSFET IPU95R3K7P7 bias-lisävirtalähteelle
• Mikrokontrolleri XMC1404 PFC-ohjauksen toteutukseen

Yhteenveto

Alhainen tehokerroin aiheuttaa teho-ongelmia sähköverkkoon ja tehonmuuntimiin, minkä vuoksi tehokertoimen korjaus on välttämätöntä erilaisille AC-verkkovirtaa käyttäville laitteille. Lakisääteiset vaatimukset määrittelevät tietyntyyppisille elektroniikkalaitteille minimit PF-tasot. Näiden lakisääteisten vaatimusten noudattamiseksi sekä vastatakseen tarpeeseen tehdä laitteista pienempiä ja tehokkaampia suunnittelijat tarvitsevat vaihtoehdon yksinkertaisille ja edullisille passiivisille PFC-tekniikoille.

Kuten on osoitettu, suunnittelijat voivat toteuttaa aktiivisia PFC-rakenteita käyttämällä digitaalisia ohjaustekniikoita ja WBG-puolijohteita, kuten SiC ja GaN, saavuttaakseen korkeammat tehokertoimet ja kompaktimmat rakenteet.

Suositeltavaa luettavaa

1. Tehokkaiden lomitettujen tehokertoimen korjausratkaisujen suunnittelu
2. Käytä SiC-pohjaisia MOSFET-transistoreja tehomuunnoksen hyötysuhteen parantamiseksi