Wybór układu korekcji współczynnika mocy dla konwersji AC-DC

Jeśli pobierasz moc z sieci AC, możesz użyć układu korekcji współczynnika mocy, aby zapewnić wysoką efektywność konwersji AC-DC.

Tworzenie funkcjonalnie doskonałego projektu to jedno, ale zapewnienie, że projekt może być legalnie podłączony do sieci, to coś innego. Nie chodzi tutaj właściwie o bezpieczeństwo i funkcjonalność urządzenia. Zamiast tego, zapewnienie wysokiej efektywności konwersji w etapach zasilania, czy to jako oddzielne jednostki, czy zintegrowane na PCB, dotyczy utrzymania wysokiego współczynnika mocy. Jest to aspekt, który może być pomijany przez wielu projektantów, ale jest kluczowy dla zgodności ze standardami.

Ta potrzeba kontroli korekcji współczynnika mocy dotyczy poziomu przemysłowego, konsumenckiego i wszystkiego pomiędzy. Jeśli korzystasz z sieci AC i regulujesz swoje wejście DC za pomocą regulatora impulsowego, powinieneś rozważyć dodanie układu korekcji współczynnika mocy. Korzyści obejmują zgodność ze standardami i oszczędności dla twoich klientów na rachunkach za energię elektryczną. Oto, na co zwrócić uwagę przy wyborze układu korekcji współczynnika mocy do twojej następnej PCB.

Co to jest korekcja współczynnika mocy?

Współczynnik mocy systemu elektrycznego jest definiowany jako rzeczywista moc pobierana przez system do pozornej (lub teoretycznej) mocy pobieranej przez system. Dla prostych liniowych konwersji AC na AC (np. za pomocą transformatora) lub liniowych konwersji DC na DC (np. za pomocą dzielnika napięcia), współczynnik mocy jest równy efektywności systemu, gdy nie ma mocy biernej. W tym przypadku korekcja współczynnika mocy polega po prostu na dodaniu pewnego przesunięcia fazowego w przód lub w tył do systemu, tak aby pobór prądu przez system był idealnie w fazie z napięciem wejściowym.

Dla konwersji AC-DC i następującej regulacji sytuacja jest bardziej skomplikowana ze względu na obecność nieliniowych komponentów. Tutaj, nieliniowe komponenty, takie jak diody używane w prostowniku, będą produkować zniekształcenia harmoniczne w przebiegu prądowym na wejściu do etapu regulatora. W istocie, jedynym momentem, gdy prąd jest pobierany do sekcji prostownika, jest gdy diody w prostowniku przewodzą, produkując impuls prądu do systemu.

Przykład takich przebiegów dla systemu z prostownikiem przedstawiono poniżej, zmierzone przed kondensatorem wygładzającym. Niebieska krzywa pokazuje prostowane napięcie AC, które jest wprowadzane do kondensatora wygładzającego, a czerwona krzywa pokazuje pobór prądu za każdym razem, gdy diody w prostowniku przewodzą.

Przebiegi napięcia i prądu w prostowniku przed etapami kondensatora wygładzającego/regulatora.

Dlaczego powinno do tego dojść? Zauważ, że dioda w prostowniku, będąc elementem nieliniowym, efektywnie zmienia swoją oporność stałoprądową między stanami wysokim i niskim, gdy napięcie wejściowe przekroczy pewien próg, więc pobiera znaczący prąd tylko wtedy, gdy napięcie wyprostowane jest wystarczająco wysokie. Dlatego prąd wejściowy podczas prostowania pojawia się w postaci impulsów, a nie wyprostowanej fali sinusoidalnej. Tworzy to zniekształcenia harmoniczne w sieci AC, które muszą być utrzymane poniżej pewnego określonego poziomu, ponieważ wysokie THD zasadniczo marnuje energię gdzie indziej w sieci. W tym przykładzie, załóżmy, że współczynnik mocy systemu wynosi 60%, a teoretyczna sprawność twojego regulatora to 95%; rzeczywista sprawność będzie wynosić 60% x 95% = 57%. Powinno to pokazać, jak w kaskadowych strategiach regulacji mocy, niski współczynnik mocy/sprawność w jednym bloku obniży sprawność we wszystkich blokach poniżej. Dodając obwód korekcji współczynnika mocy, wygładzasz pobór prądu do poniższego etapu regulatora napięcia, tak aby bardziej odpowiadał prawdziwej formie fali napięcia, co zwiększa całkowitą sprawność sekcji zasilania.

Wybór układu korekcji współczynnika mocy

Dodając układ korekcji współczynnika mocy (PFC IC) między wyjściem prostownika a twoim poniższym etapem regulatora, zbliżasz ogólny współczynnik mocy systemu do 1. Komponenty COTS mogą zbliżyć współczynnik mocy bardzo blisko do 1. Istnieją inne parametry, na które należy zwrócić uwagę przy wyborze układu korekcji współczynnika mocy:

• Maks. napięcie i prąd: Układy korekcji współczynnika mocy nie są przeznaczone do systemów o bardzo wysokim napięciu/mocy. Zwróć uwagę na te parametry, aby nie spalić układu. Zauważ, że współczynnik mocy rzeczywistego układu może być funkcją

• Topologia: Obwody PFC mogą mieć topologię buck lub boost. Można zbudować PFC buck-boost, ale nie jest to powszechnie stosowane, ponieważ zwykle potrzebujesz podnieść lub obniżyć moc sieci AC. Schemat blokowy tych układów wygląda właściwie tak samo jak

• Częstotliwość modulacji: Układ korekcji współczynnika mocy używa przełączającego sygnału PWM do okresowego pobierania prądu do obwodu PFC w synchronizacji z przebiegiem napięcia wejściowego. Ta akcja przełączania wygładzi pobór prądu ze stopnia prostownika. Typowe wartości mieszczą się w zakresie 100 kHz. Niektóre układy mogą dostarczać ten sygnał PWM jako wyjście do użytku w poniższym regulatorze przełączającym.

• Tryb przewodzenia: Dostępne są trzy tryby przewodzenia: ciągły tryb przewodzenia (CCM), krytyczny tryb przewodzenia (CrCM) i nieciągły tryb przewodzenia (DCM). Będzie to miało związek z metodą modulacji (PWM lub PFM), z których PWM jest dość powszechne.

Oto niektóre z układów korekcji współczynnika mocy, które znajdziesz na rynku:

Analog Devices, LT1509

LT1509CSW firmy Analog Devices konwertuje nieskorygowane wysokie napięcie wyjściowe na izolowane niskie napięcie wyjściowe za pomocą PWM. Cykl pracy jest wewnętrznie ograniczony do 47%, aby zapobiec nasyceniu transformatora. Ten komponent będzie wewnętrznie synchronizował sygnał PWM z sekcją kontrolera PFC, aby zapewnić maksymalną korekcję współczynnika mocy (99% nominalnego współczynnika mocy). Napięcie zasilania wejściowego jest oceniane od 11,5 do 25 V z ocenionym napięciem wyjściowym 7,5 V dzięki zintegrowanemu obwodowi napięcia odniesienia.

Diagram blokowy układu korekcji współczynnika mocy LT1509. Z karty katalogowej LT1509.

ON Semiconductor, NCL30030B3DR2G

NCL30030B3DR2G od ON Semiconductor zapewnia zintegrowaną korekcję współczynnika mocy i regulację (kwazirezonansową topologię przetwornicy prądowej) w systemach wymagających mocy w kW. Ten konkretny komponent został zaprojektowany do sterowania bankami diod LED, ale może służyć również innym celom wymagającym wysokiej mocy wyjściowej. Etap PFC zapewnia wartości współczynnika mocy bliskie 1 w CrCM z niskimi zniekształceniami harmonicznych. Ocena napięcia zasilania wynosi od 40 do 700 V z wyjściem 210V/4A.

Texas Instruments, UC3854BDW

Układ korekcji współczynnika mocy UC3854BDW od Texas Instruments działa w CCM i akceptuje napięcie zasilania 10 do 20 V (22 V maksymalne absolutne). Ten układ zawiera zintegrowany oscylator PWM o częstotliwości 200 kHz z wewnętrznym odniesieniem 7,5 V do przełączania i wygładzania. Wyjście jest obniżane do 5V/1.2A z zniekształceniem prądu linii mniejszym niż 3%. Ten układ jest również dostępny w obudowach 16-pin PDIP, szeroki SOIC, CDIP i 20-pin PLCC.

Diagram blokowy układu korekcji współczynnika mocy UC3854BDW. Z karty katalogowej UC3854BDW.

Tworzenie wiązek staje się łatwiejsze dzięki komponentom kontrolerów formowania wiązek fazowych. Gdy potrzebujesz znaleźć nowe komponenty do formowania wiązek dla swojego kolejnego produktu RF/bezprzewodowego, wypróbuj zaawansowane funkcje wyszukiwania i filtracji w Octopart. Octopart oferuje kompleksowe rozwiązanie do pozyskiwania elektroniki i zarządzania łańcuchem dostaw. Zapoznaj się z naszą stroną układów scalonych, aby rozpocząć wyszukiwanie potrzebnych komponentów.

Bądź na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.