Интегрални схеми за корекция на фактора на мощност

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2014

Стефан Куцаров

Факторът на мощност (Power Factor) PF е отношението P/Papp на реалната мощност Р върху електрически товар, която той използва за извършване на работа, и привидната мощност Рарр, доставяна му от електрическата мрежа. Идеалният случай е PF=1, при който се използва цялата доставена енергия, докато на практика PF

Напрежението и токът на товари с реактивен характер (най-често електродвигатели) в променливотоковите електрически мрежи са синусоидални, фазовият ъгъл между тях е j и PF=cosj. При свързването на електронни устройства в тези мрежи има друга по-важна причина за наличието на PF

Това означава, че при синусоидално мрежово напрежение се получава импулсен захранващ ток, т. е. токоизправителят и устройството представляват нелинеен товар. Токът му съдържа хармоници, тяхната обща електрическа мощност е Рарр, докато Р се определя само от първия хармоник. Класическият коефициент на нелинейни изкривявания THD (не в проценти!) определя фактора на изкривявания cosq=1/sqr(1+THD2). В масовия случай на липсата на фазова разлика между мрежовото напрежение и захранващия ток се получава PF=cosq, докато при неговото наличие PF=cosqcosj.

Основната задача на схемите за корекция на фактора на мощност (Power Factor Correction) PFC е намаляване на THD, а най-простият начин за това е свързване на бобина между диодите на токоизправителя и изглаждащия му кондензатор, известно като пасивна корекция (Passive PFC). Тя се използва рядко, основната причина за което са нейните размери и тегло.

Много по-голямо е приложението на активната корекция (Active PFC), при която на мястото на бобината се свързва електронен блок, наричан предварителен конвертор (PFC Preconverter). В статията са разгледани нейните основни разновидности, реализирани чрез интегрални схеми (ИС), които обикновено представляват контролери за корекция на фактора на мощност (PFC Controller).

Стандартът IEC 61000-3-2
Точното му наименование е IEC 61000-3-2 Harmonic Standard, тъй като фиксира допустимото ниво на хармониците до 39-и включително, създавани в електрическата мрежа от устройства с токова консумация до 16 А. Те са разделени на класове А, В, С и D, като Class C е за ползване в осветителни тела, а Class D е за компютри и телевизори.

Като пример в табл. 1 са дадени стойностите на четните хармоници за Class D (за този клас няма норми за нечетните хармоници). Например токът на 21-вия хармоник от устройство с мощност 40 W не трябва да надхвърля 40x(3,85/21) mA= 7,33 mA. В стандарта подробно е изяснена методиката за измерване на хармониците и при ползването му трябва да се имат предвид всички негови допълнения.

Контролери за непрекъснат режим
Идея за тяхното свързване е дадена на фиг. 1а, като L, T, D и СО образуват повишаващ ключов стабилизатор, управляван от контролера ССМ чрез правоъгълни импулси с широчинноимпулсна модулация (PWM) на изход G. Чрез непрекъсната промяна на техния коефициент на запълване D се осигурява стабилна стойност на изходното напрежение VOUT, тъй като част от него чрез резисторен делител се връща на вход FB и се сравнява с установеното на него от ИС напрежение VFB.

Честотата fOSC на импулсите може да е фиксирана (дадените в редове 1, 3, 4, 6 и 7 на табл. 2) или да се задава чрез резистор, или/и кондензатор (редове 2, 5 и 8-10). Напрежението за отпушване на Т е VG, а максималният ток на изход G е IFmax. Токът IL на бобината протича непрекъснато (фиг. 1б), което е в съответствие с английския термин Continuous Conduction Mode (CCM) и определя наименованията CCM Controller и CCM PFC.

Основната разлика от контролерите в класическите ключови стабилизатори е наличието на допълнителен блок (Gain Modulator), на чийто вход VINS чрез друг резисторен делител се подава част от пулсиращото напрежение VIN на мостовия токоизправител REC и се сравнява с вградено опорно напрежение VBO. Именно този блок осигурява близките до 1 стойности на PF и основните разлики в контролерите се дължат на неговата структура и действие.

Допълнителна негова функция е спиране на работата на контролера при намаляване под определена стойност на мрежовото напрежение VL, което обикновено е в широки граници, например 85 - 265 V. Върху резистора RS се получава напрежение, пропорционално на тока IL, което постъпва на вход IS и осигурява максималнотокова защита. Значителна част от контролерите съдържат и топлинна защита, която ги изключва при температура на кристала им над определена стойност, а с F е означен познатият от множество постояннотокови захранвания мрежов филтър.

Специфична особеност е захранването на ИС с външно напрежение VСС, като за работата й трябва то да е най-малко VCCON и тя се прекратява при намаляване под VCCOFF. Консумираният от ИС ток ICC не включва този на изход G.

Съществуват контролери, които съчетават PFC с управление на резонансни конвертори (PFC&LLC Controller), пример за какъвто е даденият в ред 5 на табл. 2. При разработката на устройства трябва да се има предвид, че работният температурен обхват на някои контролери се отнася за околната температура ТА, а на други – за тази на кристала му TJ.

Принципът ССМ осигурява сравнително малки пулсации на IL, което намалява разсейваната мощност върху част от елементите и улеснява реализацията на мрежовия филтър. Благодарение на това се получават големи стойности на PF при значителна изходна мощност POUT на схемата с типични стойности между стотина W и няколко kW.

Тъй като PF зависи от мощността и VL, той не се използва като параметър, а някои производители дават графики за неговите стойности (фиг. 1в е за контролера на ред 2 в табл. 2). Тези контролери се използват в компютри, сървъри, комуникационно оборудване, стабилизирани токоизправителни захранвания включително такива за индустриални цели, LED осветителни системи и др.

Контролери за критичен непрекъснат режим
Свързват се по схемата на фиг. 1а и осигуряват същата форма на тока, както предния вид, но с нулева негова минимална стойност (все едно, че времедиаграмата на фиг. 1б е свалена и докосва абсцисната ос). Термините за режима са Critical Conduction Mode (CrM), Boundary Conduction Mode (BCM) и Transition Conduction Mode (TCM), а на осигуряващите го контролери – CrM Controller.

Последните са с по-проста структура и имат съответно по-малък ICC и по-ниска цена, като определят и по-малка разсейвана мощност върху D и Т. Главната особеност в действието им е променящата се (до няколко десетки пъти) по време на работа стойност на fOSC, която нараства при увеличаване на VL и намаляване на тока през товара, поради което FOSC и D не са параметри. Приложенията на контролерите са подобни на предния вид, но за POUT до няколко стотици W.

Характерни примери на контролери са дадени в табл. 3, като този в ред 1 няма възможност за изключване при малко VL. Контролерът от ред 5 се препоръчва за работа с ключови стабилизатори с галванично разделяне в съответствие със схемата на фиг. 2, чийто вход е VIN от фиг. 1а, и към приложенията му се прибавят зарядни устройства.

Със специфични особености е АР1695 на Diodes Incorporated – осигурява неизменен изходен ток до 2 А за захранване на светодиоди при работа като понижаващ и понижаващо-повишаващ ключов стабилизатор без галванично разделяне и такъв с галванично разделяне.

Контролери в прекъснат режим
Основното предимство спрямо предните два вида е използването на бобина с по-малка индуктивност, но това е за сметка на нулиране на тока през част от всеки период на fOSC (Discontinuous Conduction Mode, DCM – фиг. 3), което по принцип води до намаляване на PF. Друго предимство е по-простата схема на токозахранващите блокове и големият коефициент на полезно действие. Основните приложения са за осигуряване на POUT най-често до около 200 W, като е желателно стойността й да бъде неизменна във времето за осигуряване на PF близък до 1.

Характерен пример е контролерът ZSLS7031 на ZMDI, който може да се използва в стабилизатори без и със галванично разделяне и е особено подходящ за захранване на светодиоди поради своя PF>0,95. Неговите напрежения VCCON и VCCOFF са съответно 16 и 8 V, консумираният ток е 0,8 mA и fOSC=50 kHz. Работи нормално при TA между -45 и +105 °С а размерите му са 3x3x0,85 mm.

Контролерът NCP1605 на ON Semiconductor работи основно в DCM, но при големи POUT и малко VIN автоматично преминава в CrM. Той има VCCON/VCCOFF=15/10 V и ICC=3,5 mA и температурен обхват на TJ между -40 и +125 °С. Компанията Linear Technology произвежда LT1249I с възможност за работа в ССМ и DCM и POUT до 1,5kW. Той е с VCCON/VCCOFF=16,5/10,5V и ICC=9 mA.

Контролери с времеделене
Захранващи блокове с POUT от порядъка на няколко стотици W са масово разпространени и реализацията им чрез схемата на фиг. 1а е свързана със затруднения при практическата реализация, особено при необходимост от малки размери на устройствата. Сред тях са размерите на L и съсредоточената на едно място значителна разсейвана мощност от Т.

Намаляването на тези недостатъци се осигурява от контролери с времеделене (Interleaved PFC) IPFC, които засега са двуканални и понякога се означават като Interleaved 2-Phase PFC. Те съдържат две еднакви половини, всяка от които чрез изходите си G1 и G2 (фиг. 4а) управлява повишаващ ключов стабилизатор (Boost1 и Boost2) с дефазирани на 180° токове на бобините им Ibranch1 и Ibranch2 (фиг. 4б).

Изходите на стабилизаторите са успоредно свързани и формират VOUT, а токът Iin от REC е сумата на токовете на бобините. В идеалния случай на стабилизатори с напълно еднакви параметри сумата е 0, но поради производствените толеранси те са различни и се получава малък Iin. Това е допълнително предимство, което опростява реализацията на F. Времедиаграмите на фиг. 4б са за CrM, което е по-често срещаният случай и за какъвто са IPFC в редове 2 и 3 на табл. 4. Съществуват и IPFC с DСМ - даденият в ред 1 и със ССМ (ред 4).

Компанията Microchip Technology предлага интересна реализация на IPFC, чието действие заедно с контрола на параметрите се осигурява от подходящ микроконтролер (например dsPIC33FJ16GS504) или цифров сигнален процесор. Подробности за нея са дадени във фирмената публикация AN1278.

Цифрови контролери
Разгледаните дотук контролери могат да бъдат наречени аналогови, тъй като следенето на входното напрежение и ток и на VOUT става чрез аналогови блокове, които ги сравняват със съответните опорни напрежения. При цифровите контролери (Digital PFC Controller) сравняването е между превърнатите в двоични числа чрез аналоговоцифрови преобразуватели входни величини и други двоични числа, съответстващи на опорните напрежения.

Основните предимства на това усложняване на структурата на контролерите са по-близък до синусоидата входен ток и, съответно, по-прост мрежов филтър F, практически нулева фазова разлика с входното напрежение и осигуряването на к.п.д. близък до 1 дори при промени на тока през товара и мрежовото напрежение в широки граници.

Увеличаването на к.п.д. е особено съществено при повишени POUT, където предимствата на цифровите контролери са по-ясно изразени. Към това се прибавя намаляването на необходимите за работата на контролерите външни елементи, възможността за програмиране на някои параметри и за лесно управление на работата чрез интерфейс (например на контролера от ред 1 на табл. 4 чрез PMBus).

Свързването на цифровите контролери се прави в съответствие със схемата на фиг. 1а, като режимът на работа може да е CrC (ред 1), DCM при малък изходен ток и CrC над определена негова стойност (ред 2) и DCM (ред 3). Разновидност на дадения в ред 1 със същите параметри е ADP1048, който е контролер с времеделене.

Приложенията на цифровите контролери са както на аналоговите, като този в ред 3 е специално разработен за електронния баласт на флуоресцентни лампи, поради което при него не се следи токът. В ред 2 е дадена само максималната стойност на fOSC, тъй като работната честота се мени в зависимост от VL и POUT.

Логично е да се предположи, че подходящи микроконтролери и цифрови сигнални процесори могат да бъдат програмирани за работа като цифрови контролери. Засега това е главно в рамките на фирмени проекти, например ST Microelectronics има лабораторен модел на контролер с времеделене, реализиран с микроконтролер от серията STM32. Други примери са използването за реализация на процесор TMS320F2812 на TI и на микроконтролери от серията PIC1684A на Microchip Technology.

Корекция без диоден мост
При работата на мостовия токоизправител REC на фиг. 1а във всеки момент от времето са отпушени два последователно свързани негови диода и общата разсейвана мощност върху тях е PD»0,082 VFPOUT. Например при напрежение върху всеки от тях VF=1,2 V стойността й е около 1% от POUT, което не е за пренебрегване при мощност върху товара над стотина W. За намаляване на PD се използват схеми за PFC без диоден мост (Bridgeless PFC), като двете използвани на практика схеми са дадени на фиг. 5.

Тази на фиг. 5а се управлява от контролер с един изход G и по време на единия полупериод на мрежовото напрежение, когато L е положителен спрямо N, се отпушва D1 и работи Boost1. При отпушен негов транзистор (вж. фиг. 1а) чрез PFC в бобината му се натрупва енергия от ток по веригата L-бобина-транзистор-маса-D1-N, докато при запушен транзистор тя се отдава на СО и товара в изхода чрез ток по веригата L-бобина-товар-маса-D1-N.

Същевременно D2 е запушен и Boost2 не работи. През другия полупериод (N е положителен спрямо L) се отпушва D2, а D1 е запушен и по същия начин работи Boost2. Сред подходящите за реализация контролери е NCP1653 на ON Semiconductor, работещ в ССМ и имащ основни параметри VCCON/VCCOFF=13,25/8,7 V, ICC=4,7 mA, fOSC=102 kHz и работен температурен обхват TJ=-40ё+125 °C.

Втората основна схема е на основата на контролери с времеделене (фиг. 5б), като чрез изходите им G1 и G2 се осигурява работата на всеки от повишаващите стабилизатори през един от полупериодите на мрежовото напрежение. Подходящи контролери за реализация са споменатият ADP1048 и UCC28070 на Texas Instruments, който работи в ССМ. Основните му параметри са VCCON/VCCOFF=10,2/9,2 V, ICC=4 mA, и програмируема чрез резистор fOSC между 30 kHz и 300 kHz.

Интегрални схеми с вграден PFC
Стабилизираното постоянно напрежение, получено с разгледаните PFC, може да се използва за захранване на товари без принципни ограничения на вида им. За намаляване на броя на ползваните елементи съществуват ИС, които съчетават определена функция с PFC.

Стабилизатори с галванично разделяне. За осигуряване на масово разпространените неголеми постоянни работни напрежения на електронните апаратури със захранване от електрическата мрежа се използват ключови понижаващи стабилизатори с галванично разделяне. Възможно е управляването на тяхната работа да бъде съчетано с PFC в една ИС (Isolated Flyback Controller with Active PFC), при което обикновено се намалява к.п.д.

Идея за свързването им е дадена на фиг. 6 и обикновено тя позволява работа с мрежово напрежение VL в широки граници. Вижда се, че напрежението VOUT на изход OUT е галванично разделено от електрическата мрежа чрез Tr. Входовете VINS и IS и изходът G имат същото действие, както в схемата на фиг. 1а, а стабилността на VOUT се осигурява, като част от него се връща на извод FB. В LT3798 на Linear Technology това се извършва чрез допълнителна намотка на Tr, която чрез съответните елементи осигурява и захранващото напрежение VCC на ИС.

Този контролер се препоръчва за VOUT, равно на 12, 24 и 48 V при POUT от 5 до над 100 W, а PF е над 0,97. Той работи с VCC=10-38 V при консумиран ток ICC=2,2 mA. Напреженията VCCON и VCCOFF не са фиксирани, а се задават независимо едно от друго чрез резисторен делител, напрежението VFB на вход FB е 1,25 V и от извод G може да се получава ток IGmax=1,9 A.

Подходяща за POUT=75-150 W е NCP1652 на ON Semiconductor, която както предната има режими на работа ССМ и DCM. Тя също изисква трета намотка на Тr, но само за получаване на VCC, от което се консумира ICC=6,25 mA, а VFB се осигурява чрез оптрон. Тук VCCON/VCCOFF=15,4/10,2V, fOSC=100kHz и Dmax=94%.

Контролери за светодиоди. Подобно на предния вид контролери тук PFC е прибавена към основната функция на ИС, в случая за осигуряване на неизменен ток през последователно свързани светодиоди за осветление, които могат да са в една колона (LED String) или няколко успоредно свързани колони (Multiple LED Strings). За галванично разделяне на светодиодите от мрежата се използват контролери с наименование PFC and Flyback LED Controller, примери за които са в редовете 2, 3, 6, 8 и 9 на табл. 6.

Използва се схемата на фиг. 6 и LED се свързват на изхода й OUT. Принципната разлика в случая е, че чрез напрежението върху RS, което е пропорционално на тока в първичната намотка на трансформатора Tr и този през LED, се поддържа неизменна стойността на тока им IOUT. Специфичен параметър е относителната нестабилност dIOUT на тока. Тъй като напрежението VIS на извод IS на Contr е фиксирано от ИС, чрез избор на RS се задава стойността на IOUT.

Друга разлика е, че извод FB по принцип не е необходим, но в някои ИС (дадените в редове 1 и 3) е поставен за регистриране на прекъсната верига на LED (Open LED Condition). Изводи VINS и G са с вече изясненото предназначение. Практически винаги възли на основата на фиг. 6 работят в широки граници на мрежовото напрежение и в голяма част от случаите създаваните хармоници в мрежата са в съответствие с IEC6100-3-2, което се отбелязва в документацията на контролера.

Принципното предимство на светодиодното осветление за сравнително лесно регулиране на интензитета на светлината се използва и в схемата на фиг. 6, като обикновено между REC и Tr се свързва тиристорна схема - контролерите в редове 1, 2, 3, 7 и 8. Други контролери, например IPS401 на Microsemi, имат специален вход за димиране.

Характерни приложения на тази група контролери е за захранване на LED с мощност от няколко W до над 100 W за вътрешно и външно осветление, декоративно осветление и сигнализация.

Втората група са контролерите без галванично разделяне на LED от мрежата, които работят в схема на понижаващ ключов стабилизатор (Buck Converter - ред 1 на табл. 6) или понижаващо-повишаващи ключови стабилизатори (Buck-Boost Converter – редове 4, 5 и 7), а чрез част от тях (редове 4 и 5) могат да се реализира и схемата на фиг. 6.

Особеност на дадения в ред 7 контролер е възможността за работа в постояннотокови мрежи с напрежение не по-малко от 8 V, а този в ред 9 принадлежи и на двете групи. Характерни приложения на контролерите от втората група са в AC/DC маломощни адаптери и допълнителни зарядни блокове (например за USB).

Компанията Microchip Technology предлага Contr в схемата на фиг.6 да е PIC16HV785, като между неговия изход за PWM импулси и гейта на Т се прибави драйверът МСР1402. Във фирмената публикация AN1271 е дадено описание на практическа схема с програмното й осигуряване, която захранва 5 последователно свързани LED с ток до 700 mA от мрежово напрежение 85-265 V при PF>0,95.

Новият брой 2/2018

брой 2-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top