Устройство PFC блока питания: конструкция и принцип действия
Назначение PFC модуля
Виды корректора коэффициента мощности
Принцип работы схемы PFC
Выводы:
Назначение PFC модуля
Корректор коэффициента мощности (ККМ) или PFC – применяется в импульсных блоках питания, где мощность превышает 50 Вт и более. В маломощных ИБП как правило не применяется.
В импульсном блоке питания входная цепь строится по стандартной схеме.
Классическая схема выпрямления переменного токаНа входе имеется диодный мост, после него устанавливается сглаживающий электролитический конденсатор. Выпрямитель построенный по такой схеме потребляет ток из сети не по синусоидальному закону, а импульсами тока. В этом случае эти блоки могут потреблять очень большие токи из сети.
Диаграмма работы мостового выпрямителяЕсли рассматривать график работы преобразователя то можно заметить следующее: при выпрямлении переменного тока диодным мостом получаются полуволны синусоидального напряжения.
На выходе устанавливается конденсатор, который заряжается до максимального амплитудного значения. Когда напряжение начинает уменьшаться, то конденсатор начинает разряжаться и при достижении определенного значения следующей полуволны начинает заряжаться, потребляя ток из сети, до достижения максимального значения.
Этот процесс повторяется от полуволны к полуволне. Таким образом потребление тока сосредоточено в очень короткие промежутки времени. Чем больше мощность нагрузки, тем быстрее будет разряжаться конденсатор и тем больше будет время в течении которого он будет заряжаться до амплитудного значения. Это напряжение будет составлять примерно 300 – 310 Вольт ( всё зависит от входного напряжения сети).
Так как при проектировании таких блоков необходимо делать пульсации на выходе минимальными, емкость конденсатора выбирается большой величины. Это связано с тем, чтобы конденсатор заряжался на каждой полуволне в течении короткого промежутка времени, при этом ток из сети будет потребляться импульсами.
Данный угол называется коэффициентом мощности нагрузки и зависит от импеданса источника питания, емкости конденсатора фильтра и от величины нагрузки. При малой нагрузки величина небольшая, а при увеличении она возрастает до 25-30 градусов. Из этого следует, что ток в нагрузке не является непрерывным, а имеет импульсное значение большой амплитуды с определенными гармониками.
Для устранения потребления тока из сети импульсами, создан ряд определенных устройств, которые называются корректорами коэффициента мощности.
Виды корректора коэффициента мощности
Существуют следующие схемы коррекции:
- пассивная
- активная
Для пассивной коррекции коэффициента мощности применяются схемы с индуктивностью во входной цепи. После диодного моста подключается дроссель, а уже за ним ставиться конденсатор и осуществляется пассивная коррекция коэффициента мощности.
Если установить большую величину дросселя,то он запасает большое количество энергии, что хватает на весь период работы, уменьшая гармонические колебания, возникающие при превышении тока через выпрямитель.
Диаграмма работы пассивной схемы PFCНа практике схема уменьшает гармоники, улучшает коэффициент коррекции мощности, но не решает проблему полностью.
При активной коррекции коэффициента мощности, нагрузка ведет себя как активное сопротивление.
Ток потребляемый из сети носит не импульсный характер, а по форме близок к синусоиде. Входной ток по форме и фазе должны совпадать.
Схемотехника ККМ может быть различной: повышающая и понижающая. Больше всего используется в импульсных блоках питания повышающая схема, так как она позволяет получить близкое значение к единице COS (F). Данные преобразователи повышают напряжение на электролитическом конденсаторе выпрямителя, снижая ток в высоковольтной части ИБП. Большинство схем ККМ строятся по схеме повышающих DC-DC преобразователей.
Работа данного преобразователя рассмотрим при помощи графических осциллограмм и принципиальной схемы. Для проверки поступающих импульсов на затвор транзистора G необходимо применять осциллограф.
Принцип работы схемы PFC
Входная цепь коэффициента коррекции мощности имеет диодный мост. На него поступает напряжение 220V 50Hz, а на выходе диодного моста получаем постоянное напряжение с частотой пульсаций 50Hz.
Это напряжение подается уже не на конденсатор фильтра, как в классической схеме, а на повышающий преобразователь, выполненный из:
- дросселя L
- MOSFET- транзистора
- PFC-ШИМ контроллера
- диода подсоединенного к выводу конденсатора фильтра (вывод +)
Основной задачей данного преобразователя является получить форму тока потребления не импульсами из сети, а такую же как форма напряжения, то есть близкую к синусоидальной.
Для получения заданной формы необходимо чтобы импульсы формировались на ключевом транзисторе затвора некоторыми управляющими напряжениями.
На выходе диодного моста имеется напряжение большой амплитуды и для формирования импульсов силового транзисторного ключа должно выполняться 2 условия:
- На формирователь импульсов подается выпрямленное пульсирующее напряжение через делитель Rд состоящий из резисторов R1, R2, R3 уменьшая амплитуду, а форма напряжения остается такой же.
- Необходимо отслеживать ток потребления от сети. Данную функцию реализуем при помощи резистора R’д в цепи истока MOSFET – транзистора. Таким образом ток будет проходить через дроссель L и отслеживаться микросхемой D1 по выводу CS.
Эти условия являются основными для реализации схемы PFC
Импульсы на затворе транзистора необходимо формировать таким образом, чтобы когда он начинает открываться (появлялся открывающий уровень напряжения) и через дроссель начинал протекать ток.
Этот ток нарастает по линейному закону и протекает через датчик тока (R’д). Когда напряжение с данного датчика тока сравняется с напряжением выпрямленным выпрямителем после делителя Rд и R’д то транзистор должен закрываться.
Когда ток протекающий через дроссель будет равен нулю, транзистор заново будет открываться и ток будет плавно увеличиваться до следующего совпадения значений напряжения на датчике тока и выпрямленного напряжения с диодного моста ограниченного делителем. И данный процесс будет повторяться в течении всего периода.
При работе устройства вначале синусоиды транзистор будет открываться на небольшое время, а когда синусоида приближается к максимальному значению транзистор открывается на большее время.
Для стабилизации выходного напряжения сигнал с конденсатора С1 поступает на формирователь импульсов через Rобр, где в микросхеме D1 через вывод FB вырабатывается сигнал ошибки. Данный сигнал влияет на длительность импульса, который формируется для управления транзистором, с вывода GO микросхемы PFC ШИМ. На длительность импульсов влияет не только входное, но и выходное напряжение.
В зависимости от нагрузки подключения, напряжение на выходе будет меняться и будет меняться сигнал ошибки, и сигнал будет влиять на длительность импульса.
В этом случае потребление входного тока сводится практически к синусоидальному виду и появляется стабилизация выходного напряжения.
Выводы:
- В большинстве электронных устройств используются данные преобразователи, что исключает: перекос фаз, уменьшение нагрузки на сети, не искажает форму напряжения сети.
- Подробно изучить работу ККМ модуля вы можете на курсе электроники.
12.4. Корректор коэффициента мощности
Из
графика на рис. 12.5 хорошо видно, что
форма тока, потребляемого из сети в
регулируемом выпрямителе, носит характер
коротких импульсов. Коэффициент мощности
такой схемы обычно не превышает 0,5…0,7.
Задача корректора коэффициента мощности
— сделать форму потребляемого тока
близкой к той, которая наблюдается
при включении активной нагрузки такой
же мощности. Разработаны и давно
применяются пассивные корректоры,
основанные на компенсации фаз включением
емкостных и индуктивных элементов,
которые «разворачивают» фазу тока.
К
недостаткам пассивных корректоров
следует отнести их зависимость от
параметров нагрузки, и, следовательно,
невозможность подключать к одной и той
же схеме разных потребителей.
Рис.12.5. Форма напряжения и тока на выходе выпрямителя
Интерес для нас представляют импульсные устройства, с помощью которых можно, во-первых, повысить коэффициент мощности, и, во-вторых, поддерживать его на этом уровне независимо от параметров нагрузки.
В основе архитектуры твердотельных контроллеров мощности лежит система, основанная на микроконтроллере, с помощью которого реализуются все основные функции:
1) включение и выключение силовых ключей, в качестве которых выступают М0SFЕТ или JGВТ-транзисторы;
2) защита от перегрузки по току, реализованная с использованием встроенного токоизмерительного шунта, данные с которого обрабатываются при помощи микроконтроллера.
Рассмотрим
блок-схему простейшего типового
корректора коэффициента мощности,
приведенную на рис.
Однако бустерная схема в данном случае работает несколько иначе. Входное напряжение UBX, выпрямленное диодным мостом, представляет собой однополярные половинки синусоиды (линия 1 на рис. 12.6, б). Это напряжение понижается датчиком входного напряжения (ДВН) до необходимой величины (линия 2 на рис. 12.6, б). В начальный момент времени включается транзистор VT, и ток в индуктивности L начинает линейно нарастать.
а
б
Рис. 12.6. Структурная схема корректора — а
Это нарастание
фиксируется датчиком тока (ДТ) и
преобразуется в выходное напряжение
(линия 3 на рис. 12.6, б).
Индуктивность L выбирается таким образом, чтобы нарастание
тока в нагрузке (и соответственно в
датчике тока ) происходило значительно
быстрее нарастания входного напряжения UBX.
Когда напряжение UДT сравнивается с напряжением Uf lH, управляющий каскад закрывает транзистор VT, и ток в цепи (теперь ток протекает исключительно через цепь VD, Сф, Un) падает по линейному закону до нуля. Момент падения тока до нуля служит сигналом для управляющего каскада на открытие транзистора VT, и процесс повторяется. Видно, что огибающая мгновенных значений токов (i1SH,i2V!.H,…) повторяет по форме входное напряжением среднее значение тока icp становится очень похожим на форму тока в активной нагрузке.
Таким образом,
фактически потребляемый ток носит
характер постоянно следующих коротких
импульсов переменной амплитуды. Этот
несложный метод коррекции коэффициента
мощности имеет и недостатки.
Если входное
напряжение UBX будет меняться, будет меняться и
средний ток через нагрузку (поскольку
будут меняться мгновенные значения
импульсов тока). Изменение сопротивления
нагрузки также будет менять выходное
напряжение, так как разряд индуктивного
элемента L в этом случае будет происходить медленнее
или быстрее. «Плавающее» напряжение на
выходе корректора потребует от
разработчика импульсной схемы
дополнительных мер по стабилизации
напряжения на нагрузке (источнике
питания ИП). Поэтому все современные
активные корректоры снабжаются
дополнительными узлами стабилизации
напряжения нагрузки. Изображенные на
блок-схеме датчик напряжения нагрузки
(ДНН) вместе с усилителем ошибки (УО)
являются системой, отслеживающей
выходное напряжение корректора. С выхода
датчика снимается напряжение иднн.
Умножитель (УН) перемножает сигналы Uf lHH и Uf lBH.
Полученный сигнал управляет транзистором VT.
Таким образом, в данной схеме можно
«сдвигать» порог переключения транзистора VT,
поддерживая постоянное напряжение на
нагрузке. Появились совмещенные
микросхемы, в которых одна часть
управляет корректором, а вторая —
импульсным источником.
Еще раз вспомним, что корректор коэффициента мощности представляет собой бустерный преобразователь, работающий в режиме, пограничном с режимом разрывных токов. Корректор работает в режиме автогенерации с изменяющейся частотой и скважностью управляющих сигналов.
Примером удачного и простого в реализации корректора может служить микросхема TOP202YAI (рис. 12.7).
Рис. 12.7. Схема электрическая принципиальная корректора мощности
Данная схема (рис.
12.7) обеспечивает коэффициент мощности
не менее 0,95 при следующих условиях:
мощность нагрузки (Рн) — 65 Вт;
выходное напряжение (UH)
— 420В; максимальное действующее входное
напряжение (Uceти)
— 265 В; средняя частота преобразования
(ƒ) — 100 кГц; КПД корректора (Ƞ) — 0,95.
Вопросы для самоконтроля
Для чего используются ККМ?
Каким образом ККМ улучшает коэффициент мощности источника питания?
В чем разница между пассивными и активными корректорами коэффициента мощности?
Эта статья является частью серии статей об управлении питанием: в чем разница между ваттами, среднеквадратичными значениями и другими параметрами?
Скачать эту статью в формате .PDF
С каждым днем увеличивается количество электронных устройств, использующих импульсные источники питания. В результате коррекция коэффициента мощности стала очень важной проблемой, что привело к созданию нормативных стандартов. Благодаря этим стандартам инженеры-конструкторы и специалисты по применению используют новейшие технологии в пассивных и активных компонентах и интегральных схемах контроллеров (ИС) для создания широкого спектра корректоров коэффициента мощности.
Треугольник коэффициента мощности связывает активную мощность, реактивную мощность и полную мощность. (Предоставлено Vector Group)Начнем с понятия коэффициента мощности (PF). При идеальной линейной нагрузке с идеальной синусоидальной мощностью коэффициент мощности электрической энергосистемы представляет собой отношение реальной мощности (кВт) к полной мощности (кВА) ( рис. 1 ).
Его также можно определить как косинус, представляющий фазовый угол между осциллограммами тока и напряжения. Значение коэффициента мощности может варьироваться от 0 до 1. Когда ток и напряжение совпадают по фазе, коэффициент мощности равен 1.
2. На фото идеальные синусоидальные волны с единичным коэффициентом мощности. (Любезно предоставлено Vicor) Идеальные синусоидальные волны обычно возникают, когда нагрузки состоят из резистивных, емкостных и индуктивных элементов, которые являются линейными (инвариантными по отношению к току и напряжению). Этот тип коэффициента мощности обычно связан с промышленным оборудованием, таким как электродвигатели ( рис.
2 ).
В настоящее время очень часто можно найти коэффициент мощности, при котором потребляется ток несинусоидальной формы ( рис. 3 ) среди электронных устройств с нелинейными нагрузками. Такие электронные устройства используют преобразование энергии для лучшего контроля или для экономии энергии. Такое преобразование энергии достигается с помощью импульсных источников питания, которые обычно используются в ПК, аудиовизуальном оборудовании, флуоресцентном освещении, диммерах, копировальных машинах, зарядных устройствах и т. д.
3. Здесь мы видим несинусоидальные формы сигналов с сильное искажение текущей волны. (Предоставлено биржой стека электротехники) Рисунок 3 показывает, что ток и напряжение точно совпадают по фазе, даже несмотря на сильное искажение волны тока. Применение «косинуса фазового угла» привело бы к неправильному выводу о том, что этот блок питания имеет коэффициент мощности 1,0. В этом случае коэффициент мощности следует анализировать с точки зрения ряда гармоник основной частоты линии электропередачи.
Принимая во внимание абсолютные значения полных гармонических искажений (THD), коэффициент мощности для нелинейных нагрузок может быть определен, как показано в 9.0018 Рис. 4 .
Коэффициент мощности, отличный от единицы, может вызвать гармонические искажения. Такое искажение может мешать другим устройствам, получающим питание от того же источника. Глядя на рис. 4 , мы можем сказать, что для достижения коэффициента мощности 1,0 значение THD должно быть равно нулю. Гармонические искажения могут вызвать серьезные проблемы, такие как повреждение кабелей и другого оборудования в сетях, а также перегрев и опасность возгорания, высокие напряжения и блуждающие токи, неисправности оборудования и отказы компонентов и т. д.
Корректор коэффициента мощности Корректор коэффициента мощности (PFC) используется для предотвращения гармоник входного тока, тем самым сводя к минимуму помехи для других устройств, питающихся от того же источника.
В Европе и Японии электрооборудование должно соответствовать стандарту IEC61000-3-2. Этот стандарт распространяется на большинство электроприборов с входной мощностью более 75 Вт (оборудование класса D). Он также определяет максимальную амплитуду гармоник частоты сети до 39 th 9 включительно.0047 гармоника.
В Соединенных Штатах нет стандартов для ограничения эмиссии гармонического тока, излучаемого электрическим оборудованием, как в Европе (IEC6100-3-2). Однако инициатива под названием 80 PLUS пытается интегрировать более эффективные блоки питания, особенно для настольных компьютеров, серверов и ноутбуков.
80 PLUS подтверждает энергоэффективность более 80% при 20%, 50% и 100% номинальной нагрузки. Чтобы соответствовать сертификации 80 PLUS, блоки питания должны иметь PFC 0,9.или выше при 100% нагрузке. Это означает, что блоки питания, которые тратят 20% или меньше электроэнергии (в виде тепла при указанных уровнях нагрузки), приведут к снижению потребления электроэнергии и снижению счетов.
Иногда скидки предоставляются производителям, которые используют блоки питания, сертифицированные по стандарту 80 PLUS.
Два типа корректоров коэффициента мощности используются для уменьшения гармонических искажений: пассивный PFC и активный PFC.
Как следует из названия, пассивная коррекция коэффициента мощности использует пассивные компоненты для коррекции низкого коэффициента мощности (например, катушки индуктивности и конденсаторы). Пассивная коррекция коэффициента мощности корректирует коэффициент мощности до 0,7–0,85. Вот наиболее распространенные типы пассивных PFC:
1. Конденсаторный входной фильтр: Также называемый пи-фильтром, он удаляет нежелательные частоты из сигнала. Фильтр уменьшает содержание гармоник в текущей форме волны, гарантируя, что частота среза фильтра находится чуть выше основной частоты.
В результате может быть достигнуто оптимальное затухание гармоник ( Рис. 5 ).
2. Коррекция коэффициента мощности с заполнением долины: Этот корректор коэффициента мощности может использоваться в устройствах с низким энергопотреблением, где допустимы высокие эффективные пульсации напряжения на выходе постоянного тока. Он часто используется в электронных балластах. Схема содержит два конденсатора и три диода. Два конденсатора заряжаются последовательно вокруг пика линии до половины пикового напряжения линии. Когда линейное напряжение падает ниже напряжения на одном конденсаторе, диоды мостового выпрямителя смещаются в обратном направлении, что не позволяет току течь. Затем диоды Valley-fill проводят ток, а конденсаторы подключаются параллельно для питания нагрузки. На рис. 6 показана обычная схема с заполнением впадины.
6. Впадина – пассивный корректор коэффициента мощности. (С любезного разрешения П. Парто и К. Смедли, Калифорнийский университет) В пассивных технологиях обычно используется простой LC-фильтр линейной частоты для увеличения угла проводимости тока и уменьшения THD входного тока диодно-конденсаторного выпрямителя.
Благодаря своей простоте пассивный LC-фильтр является высокоэффективным и недорогим решением для коррекции коэффициента мощности, которое потенциально может соответствовать спецификациям класса D стандарта IEC 61000-3-2 в диапазоне малой мощности. Однако при более высоких уровнях мощности размер и вес пассивных компонентов становятся проблемой из-за наличия более тяжелых и громоздких катушек индуктивности фильтра. Пассивные методы имеют определенные преимущества, такие как простота, надежность и прочность, нечувствительность к шуму и перенапряжениям, отсутствие генерации высокочастотных электромагнитных помех (ЭМП) и отсутствие высокочастотных коммутационных потерь.
Активные PFC используют схемы активной электроники, которые содержат такие устройства, как MOSFET, BJT и IGBT. Существует широкий спектр топологий для активных ККМ, и разработчики электроники/источников питания могут создавать схемы с различными режимами работы и различными задачами по мере развития технологий. Вот два основных типа активных PFC:
1.
Повышение: Эта популярная реализация, которую также называют повышающим преобразователем, представляет собой преобразователь мощности с выходным постоянным напряжением, превышающим его входное постоянное напряжение. Этот класс импульсных источников питания (SMPS) содержит не менее двух полупроводниковых ключей и не менее одного элемента накопления энергии. Фильтры обычно добавляются к выходу преобразователя для уменьшения пульсаций выходного напряжения. Поскольку мощность должна быть сохранена, выходной ток ниже, чем входной ток.
Почти во всех повышающих коррекциях мощности используется стандартная микросхема контроллера для простоты проектирования, уменьшения сложности схемы и экономии средств ( Рис. 7 ).
7. Бустерная схема представляет собой активный корректор коэффициента мощности. (С любезного разрешения Л. Россетто, Г. Спиацци, П. Тенти, Университет Падуи) Когда переключатель (S) замкнут, выход катушки индуктивности соединен с землей, и на нее подается напряжение (Vi).
Ток индуктора увеличивается со скоростью, равной Vi/L. Однако при размыкании ключа напряжение на катушке индуктивности изменяется и становится равным VL-Vin. Ток, протекавший в индукторе, затухает со скоростью, равной (VL-Vi)/L.
Дроссель фильтра на входе является основным преимуществом повышающих ККМ, поскольку он обеспечивает входные токи с малыми искажениями, что предотвращает снижение значения коэффициента мощности. Недостатком этого подхода является то, что выходное напряжение всегда больше, чем пиковое входное напряжение. Кроме того, отсутствует ограничение тока в условиях перегрузки и короткого замыкания из-за прямого соединения между линией и нагрузкой.
2. Понижающий преобразователь: Этот понижающий преобразователь напряжения и повышающий преобразователь тока работает по принципу накопления энергии в катушке индуктивности.
Имеется переключающий элемент (мощный MOSFET или IGBT), который может быть открыт или закрыт (, рис. 8, ).
Когда переключатель находится в положении ON (т. е. полевой МОП-транзистор включен), бросок тока течет к нагрузке, и энергия накапливается как в катушке индуктивности (L), так и в конденсаторе (C), и ток отсутствует. течет через диод, так как он смещен в обратном направлении. Когда переключатель находится в положении OFF, энергия, накопленная в (L), высвобождается обратно в цепь, и ток течет через нагрузку и диод. В какой-то момент, когда напряжение нагрузки начинает падать, заряд, хранящийся в конденсаторе C, становится основным источником тока до тех пор, пока переключатель снова не включится.
Понижающие преобразователи могут быть очень эффективными (95% или выше для интегральных схем).
Заключение Корректоры коэффициента мощности претерпели значительные изменения из-за повышенного интереса к соответствию таким стандартам, как IEC61000-3-2 (снижение гармоник), пределам электромагнитных помех и другим.
Они улучшились и стали более экономичными благодаря более совершенным контроллерам на интегральных схемах.
Основное различие между пассивными и активными ККМ заключается просто в использовании пассивных компонентов по сравнению с использованием в основном активных компонентов с интегральными схемами контроллера. Оба могут обеспечить коррекцию коэффициента мощности на разных уровнях. В зависимости от эффективности конструкции, стоимости и топологии их можно использовать в самых разных приложениях. (См. таблицу.)
Узнайте больше из серии «Управление питанием: в чем разница между ваттами, среднеквадратичными значениями и другими параметрами?»
Загрузите эту статью в формате .PDF
Ссылки:
- P. Parto, K. Smedley, «Passive PFC for Flyback Converters», Калифорнийский университет.
- Л. Россетто, Г. Спиацци, П. Тенти, «Методы управления преобразователем коррекции коэффициента мощности», Университет Падуи, 1994.
- О полупроводниках, «Справочник по коррекции коэффициента мощности (PFC)».
- Artesyn, «Коррекция коэффициента мощности».
- Vicor, «Активная коррекция коэффициента мощности для электронных блоков питания».
- Fairchild Semiconductor, «Основы коррекции коэффициента мощности».
- Infeon, «Руководство по выбору деталей для коррекции коэффициента мощности».
Часть 2. Пассивная коррекция коэффициента мощности
Пассивная коррекция коэффициента мощности| Эллиот Саунд Продактс | Часть 2. Пассивная коррекция коэффициента мощности |
© 2013, Род Эллиотт (ESP)
Страница создана и защищена авторскими правами © 31 января 2013 г.
Основной индекс Лампы и индекс энергопотребления
Содержимое
- Введение
- Основные схемы пассивной коррекции коэффициента мощности
- Конденсаторный входной фильтр
- Valley-Fill PFC
- Индуктор-конденсатор-диод (LCD) PFC
- Индуктор переменного тока
- Индуктор постоянного тока
- Гармонические фильтры
- Выпрямитель высокой мощности
- Выводы
- Часть 1 — Введение PFC
- Часть 3 — Активные методы PFC
- Кредиты и ссылки
Введение
Если вы еще этого не сделали, сначала прочтите первую часть этой серии.
Есть много базовых понятий, которые нужно понимать, и было бы глупо повторять информацию. Будут некоторые дублирования, но только по мере необходимости, чтобы убедиться, что то, что вы здесь читаете, имеет смысл.
Хотя пассивные системы значительно уступают активной коррекции коэффициента мощности (PFC), в некоторых случаях все же используются пассивные системы. Пассивный подход имеет преимущество простоты, но часто сравнительно велик и тяжел, и не может приблизиться к характеристикам активной схемы PFC. Одним из преимуществ схемы пассивной коррекции является то, что может не потребоваться добавление дополнительных компонентов ЭМП (электромагнитных помех), хотя это зависит от используемого метода и/или качества катушки индуктивности ККМ.
Я обсуждал активную PFC в части 3, а пассивная PFC также упоминалась в другом месте на сайте ESP. Автономные импульсные источники питания (SMPS) существуют уже много лет, и самым известным примером является стандартный компьютерный блок питания.
В течение долгого времени они представляли собой ужасную нагрузку на сеть питания, потребляя ток только кратковременно на самом пике формы сигнала сети переменного тока. Это касается как настольных, так и портативных ПК, а также многих других внешних расходных материалов, исчисляемых миллионами по всему миру. Off-line означает, что цепь питания имеет прямое подключение к сети переменного тока без промежуточного трансформатора.
Существует еще одна форма коррекции коэффициента мощности, известная как пассивная коррекция коэффициента мощности. Несмотря на простоту реализации, она более нерентабельна по сравнению с активными системами. Трудно добиться коэффициента мощности лучше 0,7, но он все же полезен для приложений с низким энергопотреблением. Во всех очень многих источниках питания для освещения, которые я рассматривал за последние несколько лет, я не видел ни одного примера пассивной коррекции коэффициента мощности, кроме описанной ниже схемы заполнения долины. Для светодиодных ламп он может быть включен «случайно», если флуоресцентный балласт остается в цепи, но, поскольку большинство из них теперь имеют активный PFC, это избыточно.
Базовые схемы пассивной коррекции коэффициента мощности Пассивная коррекция коэффициента мощности в основном основана на использовании катушки индуктивности, за исключением схемы Valley-Fill. По экономическим причинам индуктор почти всегда будет меньше желаемого, но при использовании малой индуктивности реактивная составляющая незначительна или отсутствует, и дополнительный конденсатор PFC не требуется. Результаты могут быть лучше, чем ожидалось, но общий коэффициент мощности, как правило, ограничивается примерно 0,7 — его можно улучшить, но стоимость фильтра непропорционально возрастает. Для большой промышленной машины дополнительные затраты могут быть оправданы, но этого нельзя сказать о (обычно дешевых) потребительских товарах.
В этой статье обсуждаются только основные схемы PFC. Есть много улучшений, которые могут быть сделаны, если стоимость оправдана, включая гармонические ловушки и последовательные и параллельные резонансные фильтры. Они очень дороги в реализации и не будут найдены ни в каких потребительских товарах.
Для большой, мощной машины дополнительные затраты становятся очень малыми по сравнению со стоимостью самой машины и (возможно, что более важно) текущими затратами, понесенными из-за низкого коэффициента мощности.
Резонансные фильтры могут стать очень дорогими, в основном из-за необходимой емкости. Например, 100 мГн и 100 мкФ имеют резонанс на частоте 50 Гц (достаточно близко), но емкость 100 мкФ, рассчитанная на 275 В переменного тока (только для однофазного использования), является физически большим и дорогостоящим компонентом. В некоторых конфигурациях конденсатор и катушка индуктивности также должны будут пропускать значительный ток, а для этого требуются гораздо более крупные (и более дорогие) детали.
Во всех показанных ниже случаях напряжение сети составляет 230 В переменного тока при частоте 50 Гц. Последовательно с источником питания подключен резистор на 0,8 Ом, что примерно соответствует импедансу сетевой проводки в среднем доме. Я не пытался эмулировать обычную форму волны напряжения с «плоской вершиной» в этих симуляциях, потому что дополнительные искажения делают измерения искажений формы тока бессмысленными.
Существует множество различных способов включения пассивной коррекции коэффициента мощности, но лишь некоторые из них достаточно распространены, чтобы их можно было обсудить. Схема коррекции сильно зависит от нагрузки, типа оборудования и ожиданий заказчика. Для промышленного источника питания надежность и производительность являются наиболее важными, а стоимость и размер / вес находятся где-то ниже по шкале. Для любого потребительского товара основными движущими факторами являются стоимость и размер/вес, надежность ниже этого показателя, а производительность значительно ниже по списку. Это произойдет из-за того, что большинство потребителей понятия не имеют, что представляет собой «хорошая производительность» в отношении коэффициента мощности, поэтому конструкция будет достаточной для соответствия применимым стандартам, но не более того.
Пересмотр блока питания с конденсаторным входом
Полезно еще раз взглянуть на входной конденсатор, на этот раз со всеми значениями, приведенными к значениям, использованным в других показанных примерах.
В частности, посмотрите на текущую форму волны и коэффициент мощности. Мощность, подаваемая на нагрузку, для этой схемы выше, чем для любой другой, просто потому, что выпрямленное постоянное напряжение выше, потому что в линии нет импедансов для ограничения тока.
Рис. 1. Блок питания конденсаторного входного фильтра
Пиковые значения тока в 6,5 А вызывают значительную нагрузку на источник питания, особенно на диоды и конденсатор фильтра. Ток пульсаций конденсатора составляет чуть более 1,8 А (среднеквадратичное значение), что является довольно высоким показателем для любого электролитического конденсатора. Даже крошечное сопротивление сетевой проводки 0,8 Ом рассеивает более 3 Вт, а это бесполезная трата энергии. Также обратите внимание, что входной ток RMS намного выше, чем можно было бы ожидать от источника питания мощностью 200 Вт (номинальная). В идеальном мире входной ток был бы меньше половины указанного, а пиковый ток составлял бы всего 1,3 А вместо 6,5 А.
Рис. 2. Форма кривой тока входного фильтра конденсатора
Приведенная выше схема и форма волны являются базовыми, с которыми можно сравнивать альтернативы. Для маломощных приложений (менее 50 Вт) такая схема по-прежнему очень распространена, но по мере того, как мировые нормы начинают налагать более строгие ограничения на искажение формы сигнала (генерацию гармоник) и коэффициент мощности, она в конечном итоге исчезнет для всех устройств, кроме самых маломощных. Максимум через несколько лет я ожидаю, что простые емкостные входные фильтры не будут разрешены для чего-либо выше ~ 10 Вт или около того.
Цепь коррекции коэффициента мощности Valley-Fill
Для приложений с низким энергопотреблением существует схема выпрямителя, известная как выпрямитель с заполнением впадины. Его просто реализовать, но он подходит только там, где можно допустить очень высокое эффективное пульсирующее напряжение на выходе постоянного тока. Это ограничивает его полезность, но он встречается в некоторых недорогих схемах светодиодного освещения, а также подходит для некоторых компактных люминесцентных ламп и аналогичных осветительных приборов, где высокое пульсирующее напряжение вряд ли вызовет проблемы.
Улучшение коэффициента мощности намного больше, чем можно было бы ожидать, и типичным является коэффициент мощности немногим более 0,7. Однако форма волны тока все еще сильно искажена, и нереально ожидать слишком многого от такой простой схемы. Коэффициент нелинейных искажений составил 82% при моделировании показанной схемы. Хотя вряд ли о чем можно кричать, это все же лучше, чем искажение более 150% или более.
Рис. 3. Коррекция коэффициента мощности в долине
По сути, два конденсатора заряжаются последовательно, но разряжаются параллельно. Это означает, что когда пик приложенного переменного тока падает, падает и выходное напряжение, пока оно не достигнет напряжения, которое составляет примерно половину пикового напряжения переменного тока (162 В минус несколько падений напряжения на диоде) и фактически равно напряжению на конденсаторах, включенных параллельно. Таким образом, выход «DC» имеет половину приложенного напряжения пульсаций — 158 В пик-пик в показанной цепи.
Как вы понимаете, применение любого выпрямителя/фильтра с такой большой пульсацией ограничено.
Интересно посмотреть на текущую форму волны, и она показана ниже. Резистор 2,2 Ом помогает уменьшить острые пики, которые находятся в верхней части сигнала. Более высокие значения уменьшают пики и уменьшают искажения, но приводят к большему рассеиванию мощности на резисторе, потере мощности и меньшей мощности на нагрузке. Хотя может показаться, что добавление небольшой катушки индуктивности (скажем, 10 мГн) вместо резистора позволит устранить всплеск в верхней части сигнала, это не так эффективно, как можно было бы надеяться. Добавленная стоимость и объем не стоят полученной небольшой выгоды.
Рис. 4. Форма кривой тока PFC в долине
При внимательном рассмотрении в моделировании (здесь оно не показано для ясности) напряжение «постоянного тока» варьируется от 158 до примерно 318 В — это сильные пульсации. Форма сигнала сетевого тока выглядит довольно плохо, но она намного лучше, чем показанная для стандартного источника питания с выпрямителем и конденсатором.
Коэффициент мощности намного лучше, чем ожидалось, и, хотя по-прежнему присутствуют некоторые значительные гармоники (которые возникают из-за искаженной формы волны), THD также намного лучше, чем в предыдущей версии.
Однако, как уже отмечалось, этот тип питания подходит только там, где допустимы высокие пульсации, и вы не найдете его более широко используемым. По сути, эта идея пришла слишком поздно, потому что дешевые микросхемы PFC, которые намного лучше во всех отношениях, появились лишь вскоре после того, как эта схема была впервые использована. Пока я не начал работать со светодиодными лампами, я никогда не видел их раньше, и теперь, всего несколько лет спустя, я не вижу их использования ни в одном из новых дизайнов. В новейших светодиодных лампах теперь используется активный PFC, который намного лучше, чем любая форма пассивного PFC.
Индуктор-конденсатор-диод (ЖК-экран) Схема коррекции коэффициента мощности
Следующая версия интересная. Он не особенно хорош, но не имеет чрезвычайно высоких пиков стандартного емкостного входного фильтра. Его преимущество заключается в том, что требуется только довольно небольшая катушка индуктивности, но все же требуется добавление еще одного диода и конденсатора. Однако у него есть одна существенная потенциальная точка отказа!
Рис. 5. ЖК-дисплей (индуктор/конденсатор/диод) Коррекция коэффициента мощности
В этой цепи чаще всего выходит из строя первый электролитический конденсатор, т.к. он имеет большой ток пульсаций. При значениях, показанных выше, ток пульсаций превышает 1,36 А (среднеквадратичное значение), и это очень большая потребность в электролитической крышке с низким значением и ограниченной площадью поверхности для излучения тепла. Если вы посмотрите на таблицы данных, вы увидите, что максимальный среднеквадратический ток пульсаций для 22 мкФ 400 В электро составляет около 760 мА, но это должно быть снижено для низких частот. Коэффициент снижения может достигать 0,3 для пульсаций 100–120 Гц, что означает, что максимальный ток пульсаций составляет всего около 228 мА [6]. Долгосрочное выживание маловероятно, если ожидаемая выходная мощность не будет значительно снижена.
Рис. 6. ЖК-дисплей (индуктор/конденсатор/диод) Форма кривой тока
Текущая форма волны выглядит довольно плохо, но THD ниже 100%. Я знаю, что кажется странным думать, что более 90% искажений — это «хорошо», но это одно из многих ограничений пассивной коррекции коэффициента мощности. Небольшие детали просто не работают должным образом, и это постоянная борьба за получение приемлемой производительности. Это не схема, которую я до сих пор видел в каком-либо коммерческом продукте, но она существует, и в Сети есть довольно много информации, если вы хотите узнать больше.
Цепь PFC дросселя переменного тока
Хотя вы можете себе представить, что катушка индуктивности на стороне переменного или постоянного тока выпрямительного моста дает совершенно разные характеристики, это верно лишь отчасти. Рабочие характеристики в установившемся режиме (через некоторое время после включения схемы) практически идентичны, за исключением различий, показанных ниже. В частности, текущая форма сигнала очень похожа, за исключением пары относительно незначительных изменений.
Рис. 7. Коррекция коэффициента мощности индуктора переменного тока
Поместив катушку индуктивности в сеть переменного тока перед мостом, мы вводим фильтр нижних частот. Гармоники высокого порядка постепенно затухают, а форма волны тока не имеет резких разрывов. Результаты не замечательны, но, безусловно, намного лучше, чем мы получаем без катушки индуктивности. К сожалению, необходимая катушка индуктивности является довольно громоздким компонентом и стоит недешево.
Цепь индуктора постоянного тока PFC
При размещении индуктора на стороне постоянного тока выпрямительного моста результат аналогичен «дроссельному входному фильтру», который иногда использовался в эпоху ламп. Хотя может показаться, что он будет вести себя совсем по-другому, на самом деле это не так. Как видно из приведенных ниже осциллограмм, результаты практически идентичны. У обеих схем есть недостатки.
Рис. 8. Коррекция коэффициента мощности индуктора постоянного тока
Эта схема некоторое время использовалась в блоках питания ПК (персональных компьютеров), хотя до недавнего времени встречалась только в «лучших» версиях. Разумно ожидать, что пассивная коррекция коэффициента мощности для блоков питания ПК исчезнет в недалеком будущем, поскольку активная коррекция коэффициента мощности намного лучше, а снижение стоимости быстро исчезает.
Рис. 9. Индуктор переменного тока (красный) и индуктор постоянного тока (зеленый) осциллограммы тока
Когда катушка индуктивности находится на стороне переменного тока мостового выпрямителя, между катушкой индуктивности и любым используемым конденсатором фильтра электромагнитных помех возникает некоторый звон (виден в виде широкой волны около 0 В — красная кривая). Если конденсатора нет, индуктор будет звонить на собственной резонансной частоте. Это намного выше, чем частота, полученная с помощью конденсатора, и, возможно, достаточно высока, чтобы вызвать проблемы с соответствием электромагнитным помехам. При показанных значениях частота звонка составляет 1,59 кГц. Положительным моментом является то, что катушка индуктивности не несет постоянного тока, поэтому насыщения сердечника легче избежать, не увеличивая катушку индуктивности больше, чем необходимо.
Размещение индуктора на стороне постоянного тока моста означает, что он имеет значительный средний постоянный ток, поэтому обычно он будет немного больше, чем версия переменного тока. Пока звона нет, характерный пик уровня постоянного тока при включении может быть ярко выражен. Это явление, при котором катушка индуктивности и конденсатор фильтра создают низкочастотный резонансный контур. Со значениями на Рисунке 8 это около 23,2 Гц. Реакция постоянного тока при включении питания показана ниже.
Рис. 10. Броски напряжения при включении питания, входной фильтр дросселя
Обратите внимание, что показанный пик напряжения возникает при подключении полной нагрузки 470 Ом. Нагрузка не изменяет пиковое напряжение, но оно спадает быстрее при большей нагрузке. Эта реакция чрезвычайно распространена в фильтрах с дроссельным входом, но никогда не была проблемой с вентильными выпрямителями, потому что их проводимость равна нулю при подаче питания и начинается медленно, когда нагреватели достигают температуры. Эффект обострения всегда был проблемой для полупроводниковых диодов, используемых с дроссельным входным фильтром. Изменение значений не очень помогает.
Например, с катушкой индуктивности 10Гн и конденсатором 47мкФ пиковое напряжение уменьшается до 240В постоянного тока, но при этом стационарное напряжение также становится намного ниже. «Правило большого пальца» для фильтров с дроссельным входом заключается в том, что выход постоянного тока в 0,9 раза превышает напряжение переменного тока, и в этом случае моделирование показывает 205 В постоянного тока, что довольно близко. Неожиданный и редко упоминаемый эффект дроссельного входного фильтра (использующего большую катушку индуктивности/дроссель) заключается в том, что входной ток представляет собой прямоугольную волну! Коэффициент мощности при синусоидальном напряжении и прямоугольном токе составляет около 0,9. — маловероятно, хотя это может показаться.
Когда индуктор достаточно большой (но слишком большой для любого коммерческого продукта), ток индуктора непрерывен, то есть никогда не падает до нуля. При этом условии ток индуктора представляет собой прямоугольную волну, как отмечалось выше. Меньшие катушки индуктивности обеспечивают работу в «прерывистом режиме», когда ток катушки индуктивности падает до нуля для каждого полупериода переменного тока. Для достижения непрерывного режима в схеме на Рисунке 9 требуется катушка индуктивности более 1 Гн вместе с конденсатором фильтра меньшего размера. Для достижения хороших результатов требуется индуктор большего размера, около 10 Гн является оптимальным для показанной нагрузки — колпачок фильтра можно уменьшить до 4,7 мкФ. На самом деле конденсатор становится почти неактуальным, и даже уменьшение его до 47 нФ лишь увеличивает напряжение пульсаций примерно на 3 дБ (по сравнению с пульсациями при 4,7 мкФ).
Излишне говорить, что никто не собирается устанавливать дроссель 10Гн в какой-либо продукт, если этого можно избежать, потому что он будет огромным, очень тяжелым и чрезвычайно дорогим. Если вы хотите полностью избавиться от пика, катушка индуктивности должна быть даже больше, чем 10Гн — 22Гн с крышкой фильтра 10мкФ обеспечивает плавное повышение напряжения без пиков, но никто не собирается устанавливать такой большой дроссель! Даже при таком маленьком колпачке постоянное напряжение и пульсации точно такие же, как при маленьком дросселе и большом конденсаторе.
Как оказалось, стационарное постоянное напряжение и пульсации практически идентичны, независимо от того, где находится дроссель. Чтобы избежать высокого пикового напряжения, предпочтительнее иметь индуктор в линии переменного тока, , а не в источнике постоянного тока — если, конечно, вам не нравится идея массивного индуктора. В то время как некоторые схемы не будут обеспокоены скачком напряжения с катушками индуктивности подходящего размера, для этого требуется, чтобы переключающие транзисторы / МОП-транзисторы имели более высокое номинальное напряжение, чем это необходимо. Поскольку общая производительность в любом случае почти одинакова, нет разумной причины использовать индуктор в источнике постоянного тока.
Фильтры линейной частоты и гармоник [4]
Не ожидайте найти фильтры подавления гармоник в любом потребительском товаре. Это единственная территория промышленного оборудования, которое должно соответствовать спецификациям, стандартам и ожиданиям клиентов. Стоимость всегда важна, но ни один здравомыслящий покупатель не станет покупать оборудование, которое экономит несколько (сотни, тысячи?) долларов в то время, но стоит гораздо дороже в эксплуатации, чем альтернативное. И фильтры сетевой частоты, и фильтры гармоник, по сути, должны быть разработаны для работы — нет готовых модулей, которые можно добавлять по мере необходимости. Схемы фильтров могут быть очень эффективными, но могут быть весьма нетерпимы к колебаниям нагрузки и/или иметь плохую переходную характеристику. Обычно на них не влияет шум, и они не полагаются на высокочастотное переключение, поэтому не вызывают проблем с электромагнитными помехами.
Фильтры гармоник могут быть встроены в линию или выполнены в виде «ловушек» гармоник, в которых ток гармоник рассеивается в резисторах подходящего размера. Для сети 50 Гц типичные частоты фильтра составляют 150 Гц, 250 Гц и 350 Гц (3-я, 5-я и 7-я гармоники соответственно). Естественно, они отличаются для 60 Гц. Гармонические ловушки будут использовать последовательный резонансный контур, который фактически является коротким замыканием для настроенной частоты. Рассеивая энергию гармоник в резисторах, она удаляется из сети. Эти фильтры должны быть чрезвычайно надежными — мы привыкли к оборудованию, которое потребляет от нескольких ампер до 20 А или около того, но промышленное оборудование может быть рассчитано на сотни киловатт. Используемые токи и напряжения очень высоки и могут легко разрушить все, что не рассчитано на непрерывную работу при встречающихся уровнях мощности.
Я не собираюсь вдаваться в детали резонансных фильтров или гармонических ловушек. Это не то, чем когда-либо будут заниматься 99,99% читателей, и вряд ли это тема для DIY. Достаточно сказать, что как поставщики энергии, так и их более крупные потребители пойдут на все, чтобы защитить свою инфраструктуру и качество энергоснабжения.
Выпрямитель высокой мощности
Существует способ создания выпрямителя с высоким коэффициентом мощности, который является основой почти для всех современных активных схем коррекции коэффициента мощности. Базовая схема показана ниже и включает просто удаление конденсатора фильтра. Выпрямленный постоянный ток имеет 100% пульсацию, поэтому любая последующая схема должна справляться с этим и вести себя как резистивная нагрузка.
Рисунок 11 – Выпрямитель с высоким коэффициентом мощности
Приведенная выше схема почти идеальна. Форма волны тока не показана, потому что она выглядит как синусоида и, конечно же, полностью совпадает по фазе с напряжением. Коэффициент мощности показан равным 0,99, так что он соответствует другим на этой странице, но на самом деле он равен 0,998 — настолько близок к единице, что не имеет значения. Искажение всего 0,35%. Все, что нам нужно сделать сейчас, это добавить схему, которая может справиться с огромным количеством пульсаций, и потреблять ток, который точно пропорционален напряжению.
Это основа активной схемы коррекции коэффициента мощности, предназначенной для работы в качестве резистивной нагрузки как можно ближе. Он должен быть в состоянии обеспечить стабильный выход постоянного тока, независимо от входного напряжения, который может использоваться обычным преобразователем постоянного тока для изменения напряжения до необходимого для нагрузки. Звучит просто, если сказать это достаточно быстро.
Выводы
Хотя дни пассивной коррекции коэффициента мощности могут быть сочтены для приложений с низким и средним энергопотреблением, ожидается, что некоторые промышленные приложения будут иметь потребности в мощности, которые просто не могут быть экономично (и надежно) удовлетворены активными системами. Понимание основных принципов имеет большое значение, чтобы помочь людям сделать осознанный выбор или, по крайней мере, понять, почему конкретный элемент набора выбрал одну форму префронтальной коры вместо другой.
Я надеюсь, что эта статья дала читателю некоторое представление о работе пассивных источников питания с коррекцией коэффициента мощности. Хотя схема кажется очень простой, конструкция эффективной системы коррекции на самом деле очень сложна. Все взаимодействует со всем остальным, и законы «неожиданных последствий» нельзя игнорировать. Нет, я не уверен, как кто-то может ожидать неожиданного с пользой.
Простое решение о том, где разместить индуктор ККМ, может привести к серьезным последствиям, как показано в этой статье. Если вы не знаете о явлении повышения напряжения при включении питания с входным фильтром дросселя постоянного тока, очень легко вывести из строя импульсный источник питания из-за состояния перенапряжения, и, вероятно, потребуются дополнительные схемы для предотвращения этого. вызывает проблему.
Одной из областей, которую я здесь не рассмотрел, является пусковой ток… вы можете узнать больше, прочитав статью. Это также вызывает много проблем, и они также попадают в категорию «неожиданных». В то время как традиционные нагрузки (например, лампы накаливания) могут иметь пусковой ток в 10 раз больше нормального рабочего тока, импульсный источник питания (с коррекцией коэффициента мощности или без нее) может потреблять пусковой ток в 50-100 раз больше рабочего тока.
У меня есть непосредственный опыт решения этой проблемы, и мне приходилось сообщать установщикам о необходимости ограничить количество устройств на одном автоматическом выключателе и/или использовать так называемый выключатель «D-образной кривой», который накладывает задержка, достаточная для запуска устройств с высоким пусковым током. К счастью, моя лабораторная установка такова, что я могу тестировать и записывать измерения искажений формы сигнала, гармоник, пускового тока (для этого мне пришлось спроектировать и построить собственный тестер) и многих других вещей, которые опытные покупатели хотят знать перед покупкой.
Итак, вторая часть этой серии закончена. Теперь вы можете ознакомиться с частью 3, в которой объясняется, как работает активная PFC. Активная коррекция коэффициента мощности никуда не денется, и она будет только улучшаться по мере того, как разработчики ИС будут еще больше совершенствовать свои схемы. За 5 лет или около того, что я присматривался к источникам питания PFC (в основном для продуктов светодиодного освещения), я увидел значительные улучшения, и они продолжают улучшаться.
Подробные материалы см. в разделе «Дополнительная литература» ниже.
Часть 1. Введение в PFC Часть 3 — Активный PFC
Авторы и ссылки
- Качество электроэнергии Entergy стандарты (только для примера).
- Эта статья также включает информацию из других материалов ESP и «накопленных знаний», а также моделирование и данные из измерения, проведенные на продуктах, представленных для испытаний и оценки.
- Panasonic — EEUED2G470S Электролитические конденсаторы — Element14
- Обзор пассивных и активных схем для коррекции коэффициента мощности в однофазных преобразователях ACDC малой мощности — Х.З.Азази, Э.Э.Эль-Холи, С.А.Махмуд и С.С.Шокралла
Дополнительная литература…
- Реактивное сопротивление — емкостное и реактивное
- Fairchild — Основы коррекции коэффициента мощности (AN-42047)
- On-Semi — Справочник по коррекции коэффициента мощности
Основной индекс Лампы и индекс энергопотребления
| Уведомление об авторских правах. |