Κύκλωμα διόρθωσης συντελεστή ισχύος (PFC) - Tutorial

Η ανάρτηση περιγράφει λεπτομερώς τις διάφορες μεθόδους διαμόρφωσης ενός κυκλώματος διόρθωσης συντελεστή ισχύος ή ενός κυκλώματος PFC σε σχέδια SMPS και εξηγεί τις επιλογές βέλτιστης πρακτικής για αυτές τις τοπολογίες, ώστε να συμμορφώνεται με τις σύγχρονες οδηγίες περιορισμού PFC.

Ο σχεδιασμός αποδοτικών κυκλωμάτων τροφοδοσίας δεν ήταν ποτέ εύκολος, ωστόσο με την πάροδο του χρόνου οι ερευνητές μπόρεσαν να λύσουν τα περισσότερα από τα σχετικά ζητήματα, και ακριβώς στις ίδιες γραμμές τα μοντέρνα σχέδια SMPS βελτιστοποιούνται επίσης με τα καλύτερα δυνατά αποτελέσματα, χάρη στο τα αναδυόμενα ρυθμιστικά πρότυπα που έπαιξαν σημαντικό ρόλο στην εφαρμογή αυστηρότερων παραμέτρων ποιότητας για τις σύγχρονες μονάδες τροφοδοσίας.

Οδηγίες PFC

Οι σύγχρονοι περιορισμοί ποιότητας της τροφοδοσίας καθορίζονται με επιθετικό τρόπο, συλλογικά με τις προσπάθειες των κατασκευαστών, των προμηθευτών και άλλων ενδιαφερόμενων κυβερνητικών φορέων.

Μεταξύ των πολλών παραμέτρων ποιότητας που καθορίζονται για τα μοντέρνα σχέδια τροφοδοσίας, η διόρθωση συντελεστή ισχύος (PFC) η οποία είναι στην πραγματικότητα με τη μορφή αρμονικής ακύρωσης έχει δηλωθεί ως υποχρεωτική απαίτηση από τους κανόνες IEC 61000-3-2.

Λόγω αυτού, οι σχεδιαστές αναγκάζονται να αντιμετωπίσουν σκληρότερες προκλήσεις στο σχεδιασμό σταδίων διόρθωσης συντελεστή ισχύος στα σχέδια τροφοδοσίας τους, προκειμένου να ανταποκριθούν σε αυτούς τους αυστηρούς σύγχρονους νόμους και με τα τροφοδοτικά να γίνονται όλο και πιο τρομακτικά με τις προδιαγραφές και το εύρος εφαρμογών του, δομώντας κατάλληλα κυκλώματα PFC δεν γίνεται ευκολότερο για τους πολλούς κατασκευαστές στην αρένα.

Τα εκπαιδευτικά σεμινάρια που παρουσιάζονται είναι ειδικά αφιερωμένα σε όλες τις ενώσεις και επαγγελματίες που ασχολούνται με την κατασκευή ή σχεδιασμός flyback SMPS για τη διευκόλυνσή τους με τα πιο ιδανικά σχέδια και υπολογισμούς PFC σύμφωνα με τις ατομικές τους απαιτήσεις.

Οι συζητήσεις που περιλαμβάνονται σε αυτά τα σεμινάρια θα σας βοηθήσουν να σχεδιάσετε κυκλώματα PFC ακόμη και για σημαντικά μεγάλες μονάδες στην κλίμακα έως και 400 watt, 0,75 αμπέρ.

Οι αναγνώστες θα έχουν επίσης την ευκαιρία να μάθουν σχετικά με την επιλογή μεμονωμένων μετατροπέων ενός σταδίου που περιλαμβάνουν επίσης οδηγούς LED. Το βήμα προς βήμα σχεδιασμό φροντιστηρίου και οδηγίες μαζί με συγκρίσεις σε επίπεδο συστήματος, οι πολλοί σχεδιαστές που συμμετέχουν ενεργά στον τομέα των ηλεκτρονικών ισχύος θα φωτιστούν για συνεχίστε με την βέλτιστη προσέγγιση για τις συγκεκριμένες ανάγκες εφαρμογής τους

Στόχος διόρθωσης συντελεστή ισχύος

Η βελτιστοποίηση κυκλώματος διόρθωσης συντελεστή ισχύος εντός των σύγχρονων μονάδων SMPS (διακόπτης τροφοδοσίας) θα μπορούσε να εξελιχθεί στο πρόσφατο παρελθόν λόγω της εμφάνισης ορισμένων προηγμένων σχετικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (IC), τα οποία κατέστησαν δυνατή τη θέσπιση διαφορετικών σχεδίων PFC που έχουν συγκεκριμένα τρόπους λειτουργίας και με ατομική ικανότητα χειρισμού προκλήσεων.

Με την αύξηση του εύρους των τοπολογιών SMPS, η πολυπλοκότητα του σχεδιασμού και της εφαρμογής PFC επιδεινώθηκε επίσης στις μέρες μας.

Στο πρώτο σεμινάριο θα μάθουμε σχετικά με τις λειτουργικές λεπτομέρειες του σχεδιασμού που προτιμώνται κυρίως από τους επαγγελματίες τις διορθώσεις.

Βασικά, η διόρθωση του συντελεστή ισχύος βοηθά στη βελτιστοποίηση του ρεύματος εισόδου εντός των τροφοδοτικών εκτός σύνδεσης, έτσι ώστε να μπορούν να ενισχύσουν την πραγματική ισχύ από τη διαθέσιμη είσοδο δικτύου.

Σύμφωνα με την κανονική απαίτηση, μια δεδομένη ηλεκτρική συσκευή πρέπει να μιμείται τον εαυτό της ως φορτίο με καθαρή αντίσταση, έτσι ώστε να μπορεί να έχει μηδενική άεργη κατανάλωση ισχύος.

Αυτή η κατάσταση έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία σχεδόν μηδενικών εισροών αρμονικών ρευμάτων, με άλλα λόγια επιτρέπει στο καταναλωμένο ρεύμα να είναι απόλυτα ευθυγραμμισμένο σε φάση με την τάση τροφοδοσίας εισόδου η οποία κανονικά έχει τη μορφή ημιτονοειδούς κύματος.

Αυτό το επίτευγμα διευκολύνει τη συσκευή να καταναλώνει την «πραγματική ισχύ» από το δίκτυο στα βέλτιστα και αποδοτικά επίπεδα, η οποία με τη σειρά της οδηγεί στην ελαχιστοποίηση της σπατάλης ηλεκτρικής ενέργειας και στην αύξηση της απόδοσής της.

Αυτή η αποτελεσματική χρήση ηλεκτρικής ενέργειας όχι μόνο βοηθά τη συσκευή να παρουσιαστεί με τον πιο αποτελεσματικό τρόπο, αλλά και για τις εταιρείες κοινής ωφέλειας και τον εμπλεκόμενο εξοπλισμό κεφαλαίου για τη διαδικασία.

Το παραπάνω χαρακτηριστικό επιτρέπει επιπλέον στις γραμμές τροφοδοσίας να είναι απαλλαγμένες από αρμονικές και την επακόλουθη παρεμβολή σε όλες τις συσκευές εντός του δικτύου.

Εκτός από τα προαναφερθέντα πλεονεκτήματα, συμπεριλαμβανομένου ενός PFC στις σύγχρονες μονάδες τροφοδοσίας είναι επίσης η συμμόρφωση με τις κανονιστικές απαιτήσεις όπως ορίζονται στην Ευρώπη και την Ιαπωνία με το IEC61000-3-2, το οποίο θα πρέπει να πληροί όλες οι ηλεκτρικές συσκευές.

Η προαναφερθείσα κατάσταση έχει ρυθμιστεί για τις περισσότερες από τις ηλεκτρονικές συσκευές που μπορεί να έχουν ονομαστική τιμή άνω των 75 watt σύμφωνα με τα πρότυπα εξοπλισμού κλάσης D ή που είναι ακόμη υψηλότερα, καθορίζοντας το υψηλότερο πλάτος των αρμονικών γραμμής-συχνότητας που κυμαίνονται έως και 39η αρμονική.

Εκτός από αυτά τα πρότυπα, το PFC χρησιμοποιείται επίσης για τη διασφάλιση άλλων αποδόσεων όπως το Energy Star 5.0 ζωτικής σημασίας για υπολογιστές και το Energy Star 2.0 για συστήματα τροφοδοτικών και τηλεοράσεις από το 2008.

Ορισμός του συντελεστή ισχύος

Η διόρθωση του PFC ή του συντελεστή ισχύος μπορεί να οριστεί ως ο λόγος της πραγματικής ισχύος προς την φαινόμενη ισχύ και εκφράζεται ως:

PF = Πραγματική ισχύς / Φαινόμενη ισχύς, όπου εκφράζεται η πραγματική ισχύς
Watts, ενώ η φαινομενική ισχύς εκφράζεται σε VA.

Σε αυτήν την έκφραση, η πραγματική ισχύς προσδιορίζεται ως ο μέσος όρος του στιγμιαίου προϊόντος ρεύματος και τάσης σε μια φάση ή κύκλο, ενώ η φαινόμενη ισχύς θεωρείται ως η τιμή RMS του τρέχοντος χρόνου της τάσης.

Αυτό υποδηλώνει ότι κάθε φορά που τα αντίστοιχα ρεύματος και τάσης είναι ημιτονοειδή και βρίσκονται σε φάση μεταξύ τους, ο προκύπτων συντελεστής ισχύος είναι 1,0.

Ωστόσο, σε μια κατάσταση όταν το ρεύμα, οι παράμετροι τάσης είναι ημιτονοειδείς αλλά όχι σε φάση, δημιουργεί έναν συντελεστή ισχύος που είναι συνημίτονο της γωνίας φάσης.

Οι συνθήκες συντελεστή ισχύος που περιγράφονται παραπάνω ισχύουν σε περιπτώσεις όπου η τάση και το ρεύμα και τα δύο είναι καθαρά ημιτονοειδή κύματα, σε συνδυασμό με μια κατάσταση όπου το συνοδευτικό φορτίο αποτελείται από αντιστατικά, επαγωγικά και χωρητικά στοιχεία που μπορεί να είναι όλα μη γραμμικής φύσης, ότι δεν προσαρμόζεται με τις παραμέτρους ρεύματος και τάσης εισόδου.

Οι τοπολογίες SMPS συνήθως εισάγουν μη γραμμική σύνθετη αντίσταση στην κεντρική γραμμή λόγω της παραπάνω εξηγούμενης φύσης του κυκλώματός της.

Πώς λειτουργεί το SMPS

Ένα κύκλωμα SMPS περιλαμβάνει βασικά ένα στάδιο ανορθωτή στην είσοδο που θα μπορούσε να είναι ένα μισό κύμα ή ένα ανορθωτή πλήρους κύματος και ένας συμπληρωματικός πυκνωτής φίλτρου για τη συγκράτηση της διορθωμένης τάσης κατά μήκος αυτού στο επίπεδο αιχμής του ημιτονοειδούς ρεύματος τροφοδοσίας εισόδου μέχρι την επόμενη κορυφή Το ημιτονοειδές κύμα εμφανίζεται και επαναλαμβάνει τον κύκλο φόρτισης αυτού του πυκνωτή, με αποτέλεσμα την απαιτούμενη μέγιστη σταθερή τάση σε όλη του.

Αυτή η διαδικασία φόρτισης του πυκνωτή σε κάθε κύκλο αιχμής του AC απαιτεί ότι η είσοδος πρέπει να είναι εφοδιασμένη με αρκετό ρεύμα για την εκπλήρωση της κατανάλωσης φορτίου του SMPS, μεταξύ αυτών των διαστημάτων αιχμής.

Ο κύκλος υλοποιείται με απόρριψη ενός μεγάλου ρεύματος στον πυκνωτή γρήγορα, το οποίο εφαρμόζεται στο φορτίο μέσω εκφόρτισης έως ότου φτάσει ο επόμενος κύκλος αιχμής.

Για αυτό το άνισο μοτίβο φόρτισης και εκφόρτισης, συνιστάται το παλμικό ρεύμα από τον πυκνωτή να έχει βαθμολογία 15% υψηλότερο από τη μέση απαίτηση του φορτίου.

Μπορούμε να δούμε στο παραπάνω σχήμα ότι παρά τη σημαντική παραμόρφωση η τάση και οι τρέχουσες παράμετροι είναι προφανώς σε φάση μεταξύ τους.

Ωστόσο, εάν εφαρμόσουμε τον όρο «συνημίτονο γωνίας φάσης» στα παραπάνω, θα προκύψει λανθασμένη διαπίστωση ότι η παροχή ισχύος έχει συντελεστή ισχύος 1,0

Οι ανώτερες και οι κατώτερες κυματομορφές υποδεικνύουν την ποσότητα του αρμονικού περιεχομένου του ρεύματος.

Εδώ το «θεμελιώδες αρμονικό περιεχόμενο» υποδεικνύεται σε σύγκριση με πλάτος 100%, ενώ οι υψηλότερες αρμονικές παρουσιάζονται ως τα συμπληρωματικά ποσοστά του θεμελιώδους πλάτους.

Ωστόσο, δεδομένου ότι η πραγματική ισχύς καθορίζεται μόνο από το θεμελιώδες στοιχείο, ενώ οι άλλες συμπληρωματικές αρμονικές αντιπροσωπεύουν μόνο την φαινομενική ισχύ, ο πραγματικός συντελεστής ισχύος μπορεί να είναι αρκετά κάτω από 1,0.

Ονομάζουμε αυτήν την απόκλιση από τον όρο συντελεστής παραμόρφωσης που είναι βασικά υπεύθυνος για τη δημιουργία παράγοντα ισχύος μη ενότητας στις μονάδες SMPS.

Έκφραση για πραγματική και φαινομενική ισχύ

Μια γενική έκφραση που αφορά τη σύνδεση μεταξύ της πραγματικής και της φαινομενικής ισχύος μπορεί να δοθεί ως εξής:

Όπου το cosΦ σχηματίζει τον συντελεστή μετατόπισης που προκύπτει από τη γωνία φάσης Φ μεταξύ των κυματομορφών ρεύματος / τάσης και το cosΦ σημαίνει τον παράγοντα παραμόρφωσης.

Αναφερόμενος στο παρακάτω διάγραμμα, μπορούμε να δούμε μια κατάσταση που δείχνει μια τέλεια διόρθωση του συντελεστή ισχύος.

Μπορούμε να δούμε ότι εδώ η τρέχουσα κυματομορφή αναπαράγει ιδανικά την κυματομορφή τάσης καθώς και οι δύο προφανώς λειτουργούν σε φάση και συγχρονίζονται μεταξύ τους.

Επομένως, εδώ οι αρμονικές ρεύματος εισόδου θα μπορούσαν να θεωρηθούν σχεδόν μηδενικές.

Διόρθωση συντελεστή ισχύος έναντι αρμονικής μείωσης

Κοιτάζοντας τις προηγούμενες εικόνες, είναι προφανές ότι ο συντελεστής ισχύος και οι χαμηλές αρμονικές λειτουργούν συγχρονισμένα μεταξύ τους.

Είναι γενικά αντιληπτό ότι εάν περιγράφονται τα όρια για τις αντίστοιχες αρμονικές, μπορεί να συμβάλει στον περιορισμό της μόλυνσης του ρεύματος εισόδου σε ηλεκτροφόρα καλώδια με τον τρόπο εξάλειψης των παρεμβολών που προκαλούν ρεύμα με τις άλλες συσκευές που βρίσκονται κοντά.

Επομένως, ενώ η επεξεργασία του ρεύματος εισόδου μπορεί να ονομαστεί «διόρθωση συντελεστή ισχύος», το μέγεθος εξόδου της βελτίωσης θεωρούσε ότι αυτή η επεξεργασία νοείται ως αρμονικό περιεχόμενο σύμφωνα με τις διεθνείς οδηγίες.

Για τις τοπολογίες SMPS, είναι συνήθως το στοιχείο μετατόπισης που είναι περίπου σε ενότητα, δημιουργώντας τις ακόλουθες σχέσεις μεταξύ του παράγοντα ισχύος και της αρμονικής παραμόρφωσης.

Στην έκφραση το THD αντιπροσωπεύει την Ολική Αρμονική Παραμόρφωση ως το τετραγωνικό άθροισμα των επιβλαβών αρμονικών πάνω από το θεμελιώδες περιεχόμενο, εκφράζοντας το σχετικό βάρος του σχετικού αρμονικού περιεχομένου σε σχέση με το θεμελιώδες αντίστοιχο. Η άλλη εξίσωση συσχετίζει την απόλυτη εικόνα του THD και όχι στην αναλογία%, εκφράζοντας ότι το THD πρέπει να είναι ουσιαστικά μηδέν για να δημιουργήσει μια ενότητα PF.

Τύποι διόρθωσης συντελεστή ισχύος

Το χαρακτηριστικό κυματομορφής εισόδου στο παραπάνω σχήμα δείχνει έναν τυπικό «ενεργό» τύπο διόρθωσης συντελεστή ισχύος για μια συσκευή SMPS που εισάγεται μεταξύ μιας διαμόρφωσης ανορθωτή εισόδου και ενός πυκνωτή φίλτρου και μέσω ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος PFC που ελέγχει τη διαδικασία μαζί με το σχετικό κύκλωμα για διασφαλίζοντας ότι το ρεύμα εισόδου ακολουθεί συνεκτικά τη κυματομορφή τάσης εισόδου.

Αυτός ο τύπος επεξεργασίας μπορεί να θεωρηθεί ως ο πιο διαδεδομένος τύπος PFC που χρησιμοποιείται στα σύγχρονα κυκλώματα SMPS, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Τούτου λεχθέντος, δεν είναι καθόλου υποχρεωτικό να χρησιμοποιούνται μόνο οι 'ενεργές' εκδόσεις που χρησιμοποιούν IC και ημιαγωγούς για το προτεινόμενο PFC, θα είναι άλλη μορφή σχεδιασμού που μπορεί να εγγυηθεί ένα λογικό ποσό PFC κάτω από τους καθορισμένους κανονισμούς.

Παρατηρήθηκε ότι στην πραγματικότητα ένας μόνο επαγωγέας που αντικαθιστά τη θέση του «ενεργού» ομολόγου μπορεί να απορρίψει ικανοποιητικά τις αρμονικές ελέγχοντας τις κορυφές και κατανέμοντας το ρεύμα ομοιόμορφα σε συγχρονισμό με την τάση εισόδου αρκετά αποτελεσματικά.

Παθητική σχεδίαση PFC

Ωστόσο, αυτή η μορφή παθητικού ελέγχου PFC θα μπορούσε να απαιτήσει έναν σημαντικά ογκώδη επαγωγικό πυρήνα σιδήρου και επομένως μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εφαρμογές στις οποίες η συμπαγής δεν είναι η κρίσιμη απαίτηση. (σελίδα 12)

Ένας παθητικός ενιαίος επαγωγέας μπορεί να φαίνεται να είναι μια γρήγορη λύση για το PFC, αλλά για την εφαρμογή υψηλής ισχύος, το μέγεθος θα μπορούσε να αρχίσει να μην ενδιαφέρει λόγω των πρακτικά μεγάλων διαστάσεων του.

Στο παρακάτω γράφημα είμαστε σε θέση να παρατηρήσουμε τα χαρακτηριστικά εισόδου τριών αριθμών παραλλαγών SMPS PC 250 watt, το καθένα που αντιπροσωπεύει μια τρέχουσα κυματομορφή σε ισοδύναμο συντελεστή κλίμακας.

Μπορούμε εύκολα να δούμε ότι το αποτέλεσμα που προκύπτει από ένα PFC παθητικού επαγωγέα είναι 33% υψηλότερες κορυφές ρεύματος, από ό, τι με το ενεργό αντίστοιχο φίλτρο PFC.

Ακόμα κι αν αυτό μπορεί να περάσει τα πρότυπα IEC61000-3-2, σίγουρα δεν θα είναι ισοδύναμο με τον πρόσφατο πιο αυστηρό κανόνα απαίτησης 0,9PF και θα αποτύχει το επίπεδο αποδοχής QC, που ορίζεται σύμφωνα με αυτά τα νέα πρότυπα.

Βασικό διάγραμμα μπλοκ

Λόγω της συνεχιζόμενης τάσης της ηλεκτρονικής αγοράς όπου μπορούμε να δούμε το κόστος του χαλκού να αυξάνεται μαζί με την άνοδο της διαδικασίας μαγνητικών πυρήνων και την εισαγωγή σύγχρονων, πολύ φθηνότερων υλικών ημιαγωγών, δεν θα αποτελεί έκπληξη αν παρατηρήσουμε την ενεργή προσέγγιση PFC να γίνει εξαιρετικά δημοφιλές από το παθητικό αντίστοιχο.

Και αυτή η τάση θα μπορούσε να γίνει αντιληπτή ότι θα αυξηθεί ακόμη περισσότερο στο προσεχές μέλλον, παρουσιάζοντας ολοένα και πιο προηγμένες και βελτιωμένες λύσεις PFC για τους πολλούς σχεδιαστές και κατασκευαστές SMPS.

Σύγκριση αρμονικών γραμμής εισόδου με πρότυπα IEC610003-2

Στο παρακάτω σχήμα μπορούμε να δούμε ίχνη τριών ξεχωριστών αποτελεσμάτων SMPS PC 250 watt με αναφορά στους περιορισμούς IEC6000-3-2. Ο υποδεικνυόμενος περιορισμός ισχύει για όλα τα gadget κατηγορίας D, όπως υπολογιστές, τηλεοράσεις και οθόνες τους.

Το εμφανιζόμενο όριο αρμονικού περιεχομένου καθορίζεται σύμφωνα με την ισχύ εισόδου των συσκευών. Για προϊόντα που σχετίζονται με φώτα, όπως τα φώτα LED, τα φώτα CFL, οι περιορισμοί κατηγορίας C ακολουθούνται συνήθως, οι οποίοι είναι ίδιοι με τα όρια ισχύος εισόδου τους.

Άλλα μη συμβατικά ηλεκτρονικά προϊόντα βρίσκουν το όριο PFC που έχει οριστεί σε αναλογία με ισχύ εισόδου τουλάχιστον 600 watt.

Αν κοιτάξουμε το παθητικό ίχνος PFC, βρίσκουμε ότι δεν συμμορφώνεται σχεδόν με το καθορισμένο όριο περιορισμού, απλώς μια κατάσταση κατάστασης αφής (στο αρμονικό Νο3)

Ανάλυση παθητικών χαρακτηριστικών PFC

Στο παρακάτω σχήμα μπορούμε να δούμε ένα κλασικό παράδειγμα παθητικού κυκλώματος PFC που έχει σχεδιαστεί για ένα παραδοσιακό τροφοδοτικό υπολογιστή. Το αξιοσημείωτο πράγμα εδώ είναι η σύνδεση της κεντρικής βρύσης του επαγωγέα PFC με την τάση εισόδου γραμμής εισόδου.

Ενώ βρίσκεστε στη λειτουργία επιλογής 220V (ανοίξτε το διακόπτη), εφαρμόζονται και τα δύο τμήματα του πηνίου με το δίκτυο ανορθωτή να λειτουργεί σαν κύκλωμα ανορθωτή γεφυρών.

Ωστόσο, στη λειτουργία 110V (διακόπτης κλεισίματος), χρησιμοποιείται μόνο το 50% ή το ήμισυ του πηνίου μέσω του αριστερού τμήματος του πηνίου, ενώ το τμήμα ανορθωτή μετατρέπεται τώρα σε κύκλωμα διπλασιαστή ανορθωτή μισού κύματος.

Δεδομένου ότι η επιλογή 220V αναμένεται να παράγει περίπου 330V μετά από πλήρη διόρθωση κύματος, αυτό σχηματίζει την είσοδο διαύλου για το SMPS και έχει τη δυνατότητα να κυμαίνεται σημαντικά σύμφωνα με την τάση της γραμμής εισόδου.

Παράδειγμα διαγράμματος κυκλώματος

Παρόλο που αυτός ο παθητικός σχεδιασμός PFC μπορεί να φαίνεται αρκετά απλός και εντυπωσιακός με την απόδοσή του, μπορεί να παρουσιάζει μερικά αξιοσημείωτα μειονεκτήματα.

Μαζί με την ογκώδη φύση του PFC, δύο άλλα πράγματα που επηρεάζουν την απόδοσή του είναι πρώτα, η συμπερίληψη ενός μηχανικού διακόπτη που καθιστά το σύστημα ευάλωτο σε πιθανό ανθρώπινο σφάλμα κατά τη λειτουργία της μονάδας, καθώς και τα σχετικά ζητήματα φθοράς.

Δεύτερον, η σταθεροποίηση της τάσης γραμμής έχει ως αποτέλεσμα σχετικές ανεπάρκειες στα μέτωπα της αποτελεσματικότητας κόστους και της ακρίβειας μετατροπής ισχύος DC σε DC που συνδέεται με την έξοδο PFC.

Ελεγκτές Critical Conduction Mode (CrM)

Το στάδιο του ελεγκτή που ονομάζεται λειτουργία κρίσιμης αγωγιμότητας που ονομάζεται επίσης μεταβατικός τρόπος ή ο οριακός τρόπος αγωγού αγωγού (BCM) είναι διαμορφώσεις κυκλωμάτων που μπορούν να βρεθούν αποτελεσματικά σε εφαρμογές ηλεκτρονικών φωτισμού. Παρόλο που είναι χωρίς προβλήματα με τη χρηστικότητα του, αυτοί οι ελεγκτές είναι σχετικά ακριβοί.

Το ακόλουθο διάγραμμα 1-8 δείχνει έναν κανονικό σχεδιασμό κυκλώματος ελεγκτή CrM.

Συνήθως, ένας ελεγκτής CrM PFC θα διαθέτει το παραπάνω είδος κυκλώματος, το οποίο μπορεί να γίνει κατανοητό με τη βοήθεια των ακόλουθων σημείων:

Μια είσοδος ενός σταδίου πολλαπλασιαστή αναφοράς λαμβάνει ένα κατάλληλα διαστασιοποιημένο σήμα από μια σχετική έξοδο ενισχυτή σφάλματος που έχει έναν πόλο χαμηλής συχνότητας.

Η άλλη είσοδος του πολλαπλασιαστή μπορεί να φανεί ότι αναφέρεται με μια σταθεροποιημένη τάση σφιγκτήρα DC που εξάγεται από μια διορθωμένη είσοδο γραμμής AC.

Έτσι, η προκύπτουσα έξοδος από τον πολλαπλασιαστή είναι το προϊόν του σχετικού DC από την έξοδο ενισχυτή σφάλματος και το σήμα αναφοράς με τη μορφή ημιτονοειδών παλμών πλήρους κύματος AC από την είσοδο AC.

Αυτή η έξοδος από το στάδιο του πολλαπλασιαστή μπορεί να φανεί επίσης με τη μορφή παλμών ημιτονοειδούς κύματος πλήρους κύματος, αλλά κατάλληλα να μειωθεί ανάλογα με το εφαρμοζόμενο σήμα σφάλματος (συντελεστής κέρδους) ως αναφορά για την τάση εισόδου.

Το πλάτος σήματος αυτής της πηγής τροποποιείται κατάλληλα προκειμένου να εφαρμοστεί η σωστή καθορισμένη μέση ισχύ και να διασφαλιστεί η σωστή ρυθμιζόμενη τάση εξόδου.

Το στάδιο που είναι υπεύθυνο για την επεξεργασία του τρέχοντος πλάτους προκαλεί τη ροή του ρεύματος σύμφωνα με την κυματομορφή εξόδου από τον πολλαπλασιαστή, ωστόσο το εύρος σήματος ρεύματος συχνότητας γραμμής (μετά την εξομάλυνση) μπορεί να αναμένεται να είναι το μισό από αυτό της αναφοράς από το στάδιο πολλαπλασιαστή .

Εδώ, οι λειτουργίες από το τρέχον κύκλωμα μορφοποίησης μπορούν να γίνουν κατανοητές ως εξής:

Αναφερόμενος στο παραπάνω διάγραμμα, το Vref σημαίνει το σήμα από το στάδιο του πολλαπλασιαστή, το οποίο τροφοδοτείται περαιτέρω σε ένα από τα opamps ενός συγκριτή του οποίου η δεύτερη είσοδος αναφέρεται με το τρέχον σήμα κυματομορφής.

Στον διακόπτη τροφοδοσίας, το ρεύμα κατά μήκος του επαγωγέα αυξάνεται αργά έως ότου το σήμα κατά μήκος της διακλάδωσης φτάσει στο επίπεδο Vref.

Αυτό αναγκάζει τον συγκριτή να αλλάξει την έξοδο από On σε OFF απενεργοποιώντας την τροφοδοσία στο κύκλωμα.

Μόλις συμβεί αυτό, η τάση που αυξανόταν σταδιακά στον επαγωγέα αρχίζει να πέφτει αργά προς το μηδέν και μόλις αγγίξει το μηδέν, η έξοδος opamp επανέρχεται και ενεργοποιείται ξανά και ο κύκλος συνεχίζεται.

Όπως υποδηλώνει το όνομα του παραπάνω χαρακτηριστικού, το μοτίβο ελέγχου του συστήματος δεν επιτρέπει ποτέ στο ρεύμα επαγωγής να πυροβολεί πάνω από το προκαθορισμένο όριο κατά μήκος των συνεχών και ασυνεχών τρόπων μεταγωγής.

Αυτή η διάταξη βοηθά στην πρόβλεψη και τον υπολογισμό της σχέσης μεταξύ του μέσου όρου του τρέχοντος επιπέδου της προκύπτουσας εξόδου από το opamp. Δεδομένου ότι η απόκριση έχει τη μορφή τριγωνικών κυμάτων, ο μέσος όρος της κυματομορφής σημαίνει ακριβώς το 50% των πραγματικών κορυφών των κυματομορφών του τριγώνου.

Αυτό συνεπάγεται ότι η προκύπτουσα μέση τιμή του τρέχοντος σήματος των τριγώνων κυμάτων θα είναι = Ρεύμα επαγωγής x R νόημα ή απλά να βάλετε το μισό του προκαθορισμένου επιπέδου αναφοράς (Vref) του opamp.

Η συχνότητα ενός ρυθμιστή που χρησιμοποιεί την παραπάνω αρχή θα εξαρτάται από την τάση γραμμής και το ρεύμα φορτίου. Η συχνότητα θα μπορούσε να είναι πολύ υψηλότερη σε υψηλότερες τάσεις γραμμής και θα μπορούσε να ποικίλει καθώς η είσοδος γραμμής ποικίλλει.

Λειτουργία Κρίσιμης Συμπιεζόμενης Συχνότητας (FCCrM)

Παρά τη δημοτικότητά του σε διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές ελέγχου τροφοδοσίας PFC, ο παραπάνω ελεγκτής CrM περιλαμβάνει ορισμένα εγγενή μειονεκτήματα.

Το κύριο ελάττωμα αυτού του τύπου ενεργού ελέγχου PFC είναι η αστάθεια συχνότητας σε σχέση με τις συνθήκες γραμμής και φορτίου, η οποία δείχνει αύξηση της συχνότητας με ελαφρύτερα φορτία και υψηλότερες τάσεις γραμμής, καθώς επίσης και κάθε φορά που το σήμα εισόδου πλησιάζει τις μηδενικές διασταυρώσεις.

Εάν γίνει προσπάθεια διόρθωσης αυτού του ζητήματος με την προσθήκη ενός σφιγκτήρα συχνότητας, προκύπτει μια έξοδος με μια παραμορφωμένη τρέχουσα κυματομορφή, η οποία φαίνεται αναπόφευκτη λόγω του γεγονότος ότι το 'Ton' παραμένει αναπροσαρμοσμένο για αυτήν τη διαδικασία.

Ωστόσο, η ανάπτυξη μιας εναλλακτικής τεχνικής συμβάλλει στην επίτευξη πραγματικής διόρθωσης του συντελεστή ισχύος ακόμη και σε ασυνεχή λειτουργία (DCM). Η αρχή της λειτουργίας μπορεί να μελετηθεί στο παρακάτω σχήμα και με τις συνημμένες εξισώσεις.

Αναφερόμενοι στο παραπάνω διάγραμμα, το ρεύμα αιχμής πηνίου μπορεί να αξιολογηθεί λύνοντας:

Το μέσο ρεύμα πηνίου με αναφορά στον κύκλο μεταγωγής (το οποίο θεωρείται επιπλέον ως το στιγμιαίο ρεύμα γραμμής για τον δεδομένο κύκλο μεταγωγής, λόγω του γεγονότος ότι η συχνότητα μεταγωγής είναι συνήθως υψηλότερη από τη συχνότητα γραμμής στην οποία λαμβάνουν χώρα οι μεταβολές της τάσης γραμμής , εκφράζεται με τον τύπο:

Ο συνδυασμός της παραπάνω σχέσης και η απλοποίηση των όρων δίνει τα εξής:

Η παραπάνω έκφραση υποδηλώνει και υπονοεί σαφώς ότι σε περίπτωση που εφαρμόζεται μια μέθοδος όπου ένας αλγόριθμος φροντίζει να διατηρεί το ton.tcycle / Tsw σε σταθερό επίπεδο, θα μας επέτρεπε να επιτύχουμε ένα ρεύμα γραμμής κυματοειδούς κύματος με συντελεστή ισχύος ενότητας ακόμη και στον ασυνεχή τρόπος λειτουργίας.

Παρόλο που οι παραπάνω σκέψεις αποκαλύπτουν ορισμένα ξεχωριστά οφέλη για την προτεινόμενη τεχνική DCM ελεγκτή, δεν φαίνεται να είναι η ιδανική επιλογή λόγω των σχετικών υψηλών επιπέδων ρεύματος αιχμής, όπως φαίνεται στον παρακάτω πίνακα:

Προκειμένου να επιτευχθούν οι ιδανικές συνθήκες PFC, μια λογική προσέγγιση θα ήταν να εφαρμοστεί μια συνθήκη όπου οι τρόποι λειτουργίας DCM και Crm συγχωνεύονται για να αρμέξουν τα καλύτερα από αυτά τα δύο αντίστοιχα.

Επομένως, όταν οι συνθήκες φόρτωσης δεν είναι βαριές και το CrM λειτουργεί σε υψηλή συχνότητα, το κύκλωμα πηγαίνει για τρόπο λειτουργίας DCM και σε περίπτωση που το ρεύμα φορτίου είναι υψηλό, η συνθήκη Crm αφήνεται να παραμείνει έτσι ώστε οι τρέχουσες κορυφές να δεν τείνουν να υπερβούν τα ανεπιθύμητα υψηλά όρια.

Αυτό το είδος βελτιστοποίησης μεταξύ των δύο προτεινόμενων τρόπων ελέγχου μπορεί να απεικονιστεί καλύτερα στο παρακάτω σχήμα όπου τα οφέλη των δύο τρόπων ελέγχου συγχωνεύονται για την επίτευξη των πιο επιθυμητών λύσεων.

Συνεχίζει τη λειτουργία αγωγής

Ο τρόπος συνεχούς αγωγιμότητας του PFC θα μπορούσε να γίνει αρκετά δημοφιλής στα σχέδια SMPS λόγω του εύκαμπτου χαρακτηριστικού και του εύρους εφαρμογής τους και των συναφών πλεονεκτημάτων.

Σε αυτόν τον τρόπο η τρέχουσα μέγιστη τάση διατηρείται σε χαμηλότερο επίπεδο με αποτέλεσμα ελαχιστοποιημένες απώλειες μεταγωγής εντός των σχετικών εξαρτημάτων, και επιπλέον ο κυματισμός εισόδου αποδίδεται σε ελάχιστο επίπεδο με σχετικά σταθερή συχνότητα, η οποία με τη σειρά της επιτρέπει τη διαδικασία εξομάλυνσης πολύ πιο απλή για το ίδιο.
Τα ακόλουθα χαρακτηριστικά που σχετίζονται με τον τύπο CCM PFC πρέπει να συζητηθούν λίγο πιο περίπλοκα.

Έλεγχος Vrms2

Ένα από τα ζωτικά χαρακτηριστικά με το μεγαλύτερο μέρος του σχεδιασμού PFC που εφαρμόζεται παγκοσμίως είναι το σήμα αναφοράς που πρέπει να είναι απομίμηση της διορθωμένης τάσης εισόδου.

Αυτό το ελαχιστοποιημένο διορθωμένο ισοδύναμο της τάσης εισόδου εφαρμόζεται τελικά στο κύκλωμα για τη διαμόρφωση της σωστής κυματομορφής για το ρεύμα εξόδου.

Όπως συζητήθηκε παραπάνω, ένα στάδιο κυκλώματος πολλαπλασιαστή χρησιμοποιείται συνήθως για αυτή τη λειτουργία, αλλά όπως γνωρίζουμε ότι ένα στάδιο κυκλώματος πολλαπλασιαστή θα μπορούσε να είναι σχετικά λιγότερο οικονομικά αποδοτικό από ένα παραδοσιακό σύστημα πολλαπλασιαστή εισόδου twn.

Ένα κλασικό παράδειγμα διάταξης που φαίνεται στο παρακάτω σχήμα που δείχνει μια προσέγγιση συνεχούς λειτουργίας PFC.

Όπως φαίνεται, εδώ ο μετατροπέας ώθησης ενεργοποιείται με τη βοήθεια ενός μέσου ρεύματος PWM, ο οποίος καθίσταται υπεύθυνος για τη διάσταση του ρεύματος επαγωγής (ρεύμα εισόδου για τον μετατροπέα), με αναφορά στο σήμα ρεύματος εντολής, V (i) , το οποίο μπορεί να θεωρηθεί ως ισοδύναμο προς τα κάτω της τάσης εισόδου V (in) σε αναλογία VDIV.

Αυτό υλοποιείται διαιρώντας το σήμα τάσης σφάλματος με το τετράγωνο του σήματος τάσης εισόδου (εξομαλυνθεί από τον πυκνωτή Cf, προκειμένου να δημιουργηθεί ένας απλοποιημένος συντελεστής κλιμάκωσης με αναφορά στο επίπεδο τάσης εισόδου).

Παρόλο που μπορεί να είναι λίγο περίεργο να δείτε το σήμα σφάλματος να διαιρείται από το τετράγωνο της τάσης εισόδου, ο λόγος πίσω από αυτό το μέτρο είναι να δημιουργήσετε ένα κέρδος βρόχου (ή μια παροδική εξαρτώμενη απόκριση) που μπορεί να μην βασίζεται στην τάση εισόδου πυροδοτεί.

Το τετράγωνο της τάσης στον παρονομαστή εξουδετερώνεται με την τιμή του Vsin μαζί με τη λειτουργία μεταφοράς του χειριστηρίου PWM (η αναλογικότητα της τρέχουσας κλίσης γραφήματος του επαγωγέα με την τάση εισόδου).

Ωστόσο, ένα μειονέκτημα αυτής της μορφής PFC είναι η ευελιξία του πολλαπλασιαστή, η οποία αναγκάζει αυτό το στάδιο να είναι λίγο υπερβολικά σχεδιασμένο, ειδικά τα τμήματα χειρισμού ισχύος του κυκλώματος, έτσι ώστε να διατηρεί ακόμη και τα χειρότερα σενάρια εξάλειψης ισχύος.

Έλεγχος μέσης τρέχουσας λειτουργίας

Στο παραπάνω σχήμα μπορούμε να δούμε πώς το σήμα αναφοράς που παράγεται από τον πολλαπλασιαστή V (i) υποδηλώνει το σχήμα της κυματομορφής και το εύρος κλιμάκωσης του ρεύματος εισόδου PFC.

Το υποδεικνυόμενο στάδιο PWM καθίσταται υπεύθυνο να διασφαλίσει ότι ένα μέσο ρεύμα εισόδου θα είναι ισοδύναμο με την τιμή αναφοράς. Η διαδικασία εκτελείται μέσω ενός μέσου σταδίου τρέχοντος ελεγκτή λειτουργίας, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Ο έλεγχος λειτουργίας μέσου ρεύματος βασικά διαμορφώνεται για να ρυθμίζει το μέσο ρεύμα (είσοδος / έξοδος) με αναφορά στο σήμα ελέγχου Icp, το οποίο με τη σειρά του δημιουργείται χρησιμοποιώντας έναν βρόχο DC χαμηλής συχνότητας μέσω ενός σταδίου κυκλώματος ενισχυτή σφάλματος, και αυτό δεν είναι παρά το ισοδύναμο ρεύμα που αντιστοιχεί στο σήμα Vi που φαίνεται στην προηγούμενη εικόνα σε αυτό.

Ο ενισχυτής ρεύματος σταδίου λειτουργεί ως ολοκληρωτής ρεύματος καθώς και ως ενισχυτής σφάλματος, προκειμένου να ρυθμίσει το σχήμα της κυματομορφής, ενώ το σήμα Icp που παράγεται μέσω Rcp καθίσταται υπεύθυνο για την εκτέλεση του ελέγχου τάσης εισόδου DC.

Προκειμένου να διασφαλιστεί μια γραμμική απόκριση από τον τρέχοντα ενισχυτή, η είσοδό του πρέπει να είναι παρόμοια, πράγμα που σημαίνει ότι η διαφορά δυναμικού που δημιουργείται σε R (shunt) πρέπει να είναι παρόμοια με την τάση που δημιουργείται γύρω από το Rcp, επειδή δεν μπορούμε να έχουμε DC μέσω του είσοδος αντίστασης αντιστροφής του τρέχοντος ενισχυτή.

Η έξοδος που παράγεται από τον τρέχοντα ενισχυτή υποτίθεται ότι είναι ένα σήμα σφάλματος «χαμηλής συχνότητας», ανάλογα με το μέσο ρεύμα της διακλάδωσης, καθώς και το σήμα από το Isp.

Τώρα ένας ταλαντωτής παράγει ένα πριονωτό σήμα που χρησιμοποιείται για τη σύγκριση του παραπάνω σήματος με αυτό, όπως γίνεται με το σχέδιο ελέγχου λειτουργίας τάσης.

Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία PWM που καθορίζονται με σύγκριση των παραπάνω δύο σημάτων.

Προηγμένες λύσεις PFC

Οι διάφορες μέθοδοι ελέγχου PFC όπως συζητήθηκαν παραπάνω (CrM, CCM, DCM) και οι παραλλαγές τους παρέχουν στους σχεδιαστές ποικίλες επιλογές διαμόρφωσης κυκλωμάτων PFC.

Ωστόσο, παρά αυτές τις επιλογές, η συνεπής αναζήτηση για την επίτευξη καλύτερων και πιο προηγμένων ενοτήτων από την άποψη της αποτελεσματικότητας έχει καταστήσει δυνατή τη διάγνωση πιο εξελιγμένων σχεδίων για αυτές τις εφαρμογές.

Θα συζητήσουμε περισσότερα σχετικά με αυτό, καθώς αυτό το άρθρο ενημερώνεται με τα τελευταία σχετικά με το θέμα.