THB | USD

ออกแบบการแก้ไขตัวประกอบกำลังที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น โดยใช้อุปกรณ์กึ่งตัวนำ Wide Bandgap และการควบคุมแบบดิจิตอล

By Jeff Shepard

Contributed By Digi-Key's North American Editors

Power factor correction (PFC) เป็นสิ่งที่จำเป็นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของอุปกรณ์ที่ใช้ไฟ AC ซึ่งรวมถึงแหล่งจ่ายไฟ AC/DC, เครื่องชาร์จแบตเตอรี่, ระบบจัดเก็บพลังงานจากแบตเตอรี่, มอเตอร์ไดรฟ์และเครื่องสำรองไฟ ความสำคัญคือมีกฎระเบียบที่กำหนดระดับ Power factor (PF) ขั้นต่ำสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บางประเภท

เพื่อให้เป็นไปตามกฎข้อบังคับเหล่านี้เมื่อเผชิญกับแรงกดดันอย่างต่อเนื่องในการปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมภายในฟอร์มแฟคเตอร์ที่ลดขนาดลงเรื่อย ๆ นักออกแบบจึงหันมาใช้การออกแบบ PFC ที่ใช้ประโยชน์จากเทคนิคการควบคุมแบบดิจิทัลและเซมิคอนดักเตอร์แบบแบนด์แก็ปกว้างเช่นซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกลเลียมไนไตรด์ (GaN)

บทความนี้ทบทวนแนวคิดและคำจำกัดความของ PF รวมถึงคำจำกัดความที่แตกต่างกันระหว่าง IEEE และ IEC และมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง จากนั้นจะแนะนำโซลูชันสำหรับ PFC จากผู้ขายเช่น STMicroelectronics, Transphorm, Microchip Technologyและ Infineon Technologiesที่นักออกแบบสามารถใช้เพื่อปรับใช้ PFC โดยใช้เซมิคอนดักเตอร์แบบ Bandgap และการควบคุมแบบดิจิทัลรวมถึงการใช้บอร์ดประเมินผล

การแก้ไข power factor คืออะไรและเหตุใดจึงจำเป็น

PF คือการวัดระดับพลังงานปฏิกิริยาในระบบ พลังงานปฏิกิริยาไม่ใช่พลังงานที่แท้จริง แต่แสดงถึงผลกระทบของโวลต์และแอมแปร์ที่อยู่นอกเฟสซึ่งกันและกัน (รูปที่ 1) เนื่องจากอยู่นอกเฟสจึงไม่สามารถมีส่วนร่วมในการทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ยังคงปรากฏเป็นโหลดของสายจ่ายไฟ AC ปริมาณพลังงานปฏิกิริยาในระบบเป็นตัวชี้วัดระดับการถ่ายเทพลังงานที่ไม่มีประสิทธิภาพ Active PFC ใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังเพื่อเปลี่ยนเฟสและ/หรือรูปร่างของรูปคลื่นปัจจุบันที่โหลดโดยโหลดเพื่อปรับปรุง PF การใช้ PFC ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของระบบโดยรวม

ภาพของ PF ถูกกำหนดให้เป็นโคไซน์ของ θรูปที่ 1: PF ถูกกำหนดให้เป็นโคไซน์ของ θ และแสดงถึงอัตราส่วนของกำลังไฟฟ้าจริงที่โหลดโดยโหลดต่อกำลังไฟฟ้าปรากฏที่ไหลในวงจร ความแตกต่างระหว่างทั้งสองเกิดจากพลังงานปฏิกิริยา เมื่อพลังงานรีแอกทีฟเข้าใกล้ศูนย์โหลดจะปรากฏเป็นตัวต้านทานอย่างหมดจดพลังที่ปรากฏและกำลังจริงจะเท่ากันและ PF จะกลายเป็น 1.0 (แหล่งรูปภาพ: Wikipedia)

PF ที่ไม่ดีอาจเกิดขึ้นในโหลดเชิงเส้นหรือไม่เชิงเส้น PooN Non-linear load จะบิดเบือนรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าหรือรูปคลื่นปัจจุบันหรือทั้งสองอย่าง เมื่อเกี่ยวข้องกับโหลดที่ไม่ใช่เชิงเส้นจะเรียกว่า distortion PF

โหลดเชิงเส้นไม่บิดเบือนรูปร่างของรูปคลื่นอินพุต แต่อาจเปลี่ยนระยะเวลาสัมพัทธ์ (เฟส) ระหว่างแรงดันและกระแสเนื่องจากการเหนี่ยวนำ และ/หรือ ความจุ (รูปที่ 2) วงจรไฟฟ้าที่มีโหลดตัวต้านทานเป็นหลัก (เช่นหลอดไส้และองค์ประกอบความร้อน) มี PF เกือบ 1.0 แต่วงจรที่มีโหลดอุปนัยหรือตัวเก็บประจุ (เช่นตัวแปลงไฟโหมดสวิตช์มอเตอร์ไฟฟ้าโซลินอยด์วาล์วหม้อแปลงและบัลลาสต์หลอดไฟ) สามารถ มีค่า PF ต่ำกว่า 1.0

ภาพของกำลังไฟฟ้าทันทีและโดยเฉลี่ยคำนวณจากแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับและกระแสไฟฟ้ารูปที่ 2: กำลังไฟฟ้าทันทีและโดยเฉลี่ยคำนวณจากแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับและกระแสไฟฟ้าที่มี PF ที่ล้าหลังนั่นคือโดยที่กระแสไฟฟ้าล่าช้า - 0.71 จากโหลดเชิงเส้น (แหล่งรูปภาพ: CUI, Inc.)

โหลดอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ไม่เป็นเชิงเส้น ตัวอย่างของโหลดที่ไม่เป็นเชิงเส้น ได้แก่ ตัวแปลงไฟโหมดสวิตช์และอุปกรณ์ปล่อยอาร์กเช่นหลอดฟลูออเรสเซนต์เครื่องเชื่อมไฟฟ้าหรือเตาอาร์ก เนื่องจากกระแสในระบบเหล่านี้ถูกขัดจังหวะโดยการสลับกระแสจึงมีส่วนประกอบของความถี่ที่เป็นทวีคูณของความถี่ของระบบไฟฟ้า การบิดเบือน PF คือการวัดว่าการบิดเบือนฮาร์มอนิกของกระแสโหลดลดกำลังเฉลี่ยที่ถ่ายโอนไปยังโหลด

ภาพของแรงดันไฟฟ้ารูปซายน์ (สีเหลือง) และกระแสไฟฟ้าที่ไม่ใช่ซายน์ (สีน้ำเงิน)รูปที่ 3: แรงดันไฟฟ้าไซน์ (สีเหลือง) และกระแสที่ไม่ใช่ซายน์ (สีน้ำเงิน) ให้ค่า PF ผิดเพี้ยนที่ 0.75 สำหรับแหล่งจ่ายไฟของคอมพิวเตอร์เครื่องนี้ซึ่งเป็นโหลดที่ไม่ใช่เชิงเส้น (แหล่งรูปภาพ: Wikipedia)

ความแตกต่างระหว่างการล้าหลังและ PF ชั้นนำ

PF ที่ล้าหลังหมายถึงกระแสไฟฟ้าล่าช้า (อยู่ข้างหลัง) แรงดันไฟฟ้าและ PF ชั้นนำแสดงว่ากระแสนำ (อยู่ข้างหน้า) แรงดันไฟฟ้า สำหรับโหลดอุปนัย (เช่นมอเตอร์เหนี่ยวนำขดลวดและหลอดไฟบางตัว) กระแสไฟฟ้าจะล้าหลังแรงดันไฟฟ้าทำให้เกิด PF ที่ล้าหลัง สำหรับโหลดคาปาซิทีฟ (เช่นคอนเดนเซอร์ซิงโครนัสคาปาซิเตอร์แบงค์และตัวแปลงพลังงานอิเล็กทรอนิกส์) กระแสจะนำไปสู่แรงดันไฟฟ้าทำให้เกิด PF

สำหรับโหลดคาปาซิทีฟ (เช่นคอนโทรมิสซิงโครนัสคาปาซิเตอร์แบงค์และตัวแกนกระแสไฟฟ้า) กระแสจะนำไปสู่แรงดันไฟฟ้าทำให้เกิด PF เครื่องหมายลบและบวกที่นำหน้าค่า PF ถูกกำหนดโดยมาตรฐานที่ใช้ไม่ว่าจะเป็น IEEE หรือ IEC

PF และ IEEE เทียบกับ IEC

แผนภาพในรูปที่ 4 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างกิโลวัตต์ (กิโลวัตต์) ของกำลังไฟฟ้าโวลต์ - แอมแปร์รีแอกทีฟ (var) ตัวประกอบกำลังและโหลดอุปนัยหรือแบบคาปาซิทีฟสำหรับทั้งมาตรฐาน IEEE และ IEC แต่ละองค์กรใช้เมตริกที่แตกต่างกันในการจัดประเภท PF

แผนภาพของอนุสัญญาป้ายตัวประกอบกำลังของ IEC และ IEEEรูปที่ 4: ตามมาตรฐาน IEC (ซ้าย) เครื่องหมายตัวประกอบกำลังขึ้นอยู่กับทิศทางของการไหลของกระแสไฟฟ้าจริงเท่านั้นและไม่ขึ้นอยู่กับโหลดที่เป็นอุปนัยหรือ capacitive ตาม IEEE (ขวา) เครื่องหมายเพาเวอร์แฟคเตอร์จะขึ้นอยู่กับลักษณะของโหลดเท่านั้น (นั่นคือ capacitive หรืออุปนัย) ในกรณีนี้เป็นอิสระต่อทิศทางการไหลของพลังจริง (แหล่งรูปภาพ: Schneider Electric)

ตาม IEC (ด้านซ้ายของรูปที่ 4) เครื่องหมาย PF ขึ้นอยู่กับทิศทางของการไหลของกระแสไฟฟ้าจริงเท่านั้นและไม่ขึ้นอยู่กับโหลดที่เป็นอุปนัยหรือแบบ capacitive ตาม IEEE (ด้านขวาของรูปที่ 4) เครื่องหมาย PF ขึ้นอยู่กับลักษณะของโหลดเท่านั้น (นั่นคือ capacitive หรืออุปนัย) ในกรณีนี้จะไม่ขึ้นกับทิศทางของการไหลของพลังที่แท้จริง สำหรับโหลดอุปนัย PF เป็นลบ สำหรับโหลด capacitive PF จะเป็นบวก

มาตรฐาน PF

หน่วยงานกำกับดูแลเช่นสหภาพยุโรปได้กำหนดขีด จำกัด ฮาร์มอนิกเพื่อปรับปรุง PF เพื่อให้เป็นไปตามมาตรฐาน EU EN61000-3-2 ในปัจจุบัน (ซึ่งเป็นไปตาม IEC 61000-3-2) อุปกรณ์จ่ายไฟแบบสลับโหมดทั้งหมดที่มีกำลังขับมากกว่า 75 วัตต์จะต้องมี PFC การรับรองแหล่งจ่ายไฟ 80 PLUS โดย EnergyStar ต้องการ PF 0.9 หรือมากกว่าที่ 100% ของกำลังขับที่กำหนดและต้องการ PFC ที่ใช้งานอยู่ ฉบับล่าสุดของมาตรฐาน IEC ในขณะที่เขียนนี้คือ: IEC 61000-3-2:2018, “ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า(EMC) - Part 3-2: ขีดจำกัด - ขีดจำกัด สำหรับการปล่อยกระแสฮาร์มอนิก (กระแสอินพุตของอุปกรณ์≤16 A ต่อเฟส).”

ตัวแปลงไฟโหมดสวิตช์ที่ไม่ได้แก้ไขไม่เป็นไปตามมาตรฐาน PFC ปัจจุบัน การพิจารณาอย่างหนึ่งที่มีผลต่อ PF คือประเภทของอินพุต AC ที่ใช้: เฟสเดียวหรือสามเฟส แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งเฟสเดียวที่ไม่ได้แก้ไขโดยทั่วไปจะมี PF ประมาณ 0.65 ถึง 0.75 (โดยใช้หลักการ IEEE สำหรับเครื่องหมาย PF ที่อธิบายไว้ข้างต้น) เนื่องจากหน่วยส่วนใหญ่ใช้ส่วนหน้าของ วงจรเรียงกระแส/ตัวเก็บประจุ เพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าบัส DC การกำหนดค่านี้ดึงกระแสที่จุดสูงสุดของแต่ละรอบบรรทัดเท่านั้นสร้างพัลส์ที่แคบและสูงซึ่งส่งผลให้ PF ไม่ดี (ดูรูปที่ 3 ด้านบน)

ตัวแปลงไฟโหมดสวิตช์ที่ไม่ได้แก้ไขสามเฟสมี PF สูงกว่าซึ่งมักจะเข้าใกล้ 0.85 (โดยใช้หลักการ IEEE สำหรับเครื่องหมาย PF ด้วย) เนื่องจากแม้ว่าจะใช้วงจรเรียงกระแส / ตัวเก็บประจุเพื่อสร้างแรงดันบัส DC แต่ก็มีสามเฟสที่ช่วยปรับปรุง PF โดยรวมเพิ่มเติม อย่างไรก็ตามตัวแปลงไฟโหมดสวิทช์เฟสเดียวหรือสามเฟสไม่สามารถปฏิบัติตามข้อบังคับ PF ปัจจุบันได้โดยไม่ต้องใช้วงจรแก้ไข PF ที่ใช้งานอยู่

การใช้เซมิคอนดักเตอร์ WBG และการควบคุมแบบดิจิทัลเพื่อออกแบบ PFC ที่ใช้งานอยู่

การใช้เทคนิคการควบคุมแบบดิจิทัลและเซมิคอนดักเตอร์กำลังแบนด์แก็ปแบบกว้างรวมถึง GaN และ SiC ทำให้นักออกแบบมีทางเลือกใหม่สำหรับวงจร PFC ที่ใช้งานอยู่ซึ่งสามารถให้ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นและความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นเมื่อเทียบกับการออกแบบ PFC ที่ใช้งานอยู่ตามการควบคุมแบบอะนาล็อกหรือการออกแบบ PFC แบบพาสซีฟ

นักออกแบบสามารถแทนที่คอนโทรลเลอร์แบบอนาล็อกด้วยเทคนิคการควบคุมแบบดิจิทัลขั้นสูงหรือเสริมการควบคุมแบบอนาล็อกด้วยองค์ประกอบการควบคุมแบบดิจิทัลเพิ่มเติมรวมถึงไมโครคอนโทรลเลอร์เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดของ PFC ในบางกรณีเซมิคอนดักเตอร์ WBG ยังสามารถใช้เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของ PFC ได้

ต้นทุนส่วนประกอบที่ลดลงได้เร่งการดำเนินการของสองวิธีที่แตกต่างกันสำหรับ PFC: การออกแบบแบบสอดแทรกและการออกแบบแบบไร้สะพาน แต่ละแนวทางให้ประโยชน์ที่แตกต่างกัน:

  • ประโยชน์ของ PFC แบบสอดแทรก:
    • ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น
    • ปรับปรุงการกระจายความร้อน
    • ลด rms ปัจจุบันผ่านขั้นตอน PFC
    • ความเป็นโมดูลาร์
  • ประโยชน์ของ Bridgeless PFC:
    • ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น
    • ลดความสูญเสียลงครึ่งหนึ่งในการแก้ไขอินพุต
    • ปรับปรุงการกระจายความร้อน
    • ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น

คอนโทรลเลอร์ PFC แบบสอดแทรกสามช่องสัญญาณรวมการควบคุมแบบอะนาล็อกและดิจิตอล

STNRGPF01 คอนโทรลเลอร์จาก STMicroelectronics เป็น ASIC ที่กำหนดค่าได้ซึ่งรวมการควบคุมแบบดิจิตอลและอนาล็อกและสามารถขับเคลื่อนได้ถึงสามช่องสัญญาณใน PFC แบบสอดประสาน (รูปที่ 5) อุปกรณ์ทำงานในโหมดการนำไฟฟ้าต่อเนื่อง (CCM) ที่ความถี่คงที่โดยมีการควบคุมโหมดกระแสเฉลี่ยและใช้การควบคุมสัญญาณผสม (อนาล็อก / ดิจิตอล) การวนรอบกระแสภายในแบบอะนาล็อกดำเนินการโดยฮาร์ดแวร์เพื่อให้แน่ใจว่ามีการควบคุมวงจร วงจรแรงดันภายนอกดำเนินการโดยตัวควบคุมสัดส่วน - อินทิกรัล (PI) แบบดิจิตอลที่มีการตอบสนองแบบไดนามิกที่รวดเร็ว

แผนภาพบล็อกการทำงานของคอนโทรลเลอร์ STMicroelectronics STNRGPF01 PFCรูปที่ 5: แผนภาพบล็อกการทำงานของ STNRGPF01 แสดงส่วนควบคุมอนาล็อกด้านใน (สีแดง) และส่วนควบคุมดิจิตอลด้านนอก (สีเขียว) ในแอปพลิเคชัน PFC แบบสอดประสานสามเฟส (แหล่งรูปภาพ: STMicroelectronics)

STNRGPF01 ใช้กลยุทธ์การส่องเฟสที่ยืดหยุ่นซึ่งช่วยให้จำนวนช่อง PFC ที่ถูกต้องตามเงื่อนไขการโหลดจริง ด้วยฟังก์ชั่นนี้ STNRGPF01 จึงสามารถรับประกันประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงสุดสำหรับข้อกำหนดกระแสโหลดที่หลากหลาย

คอนโทรลเลอร์ใช้ฟังก์ชันหลายอย่าง: การควบคุมกระแสไฟเข้า, การเริ่มต้นระบบแบบนุ่มนวล, การจัดการโหมดระบายความร้อนในโหมดต่อเนื่องและการแสดงสถานะ นอกจากนี้ยังมีการป้องกันแบบฝังเต็มรูปแบบจากแรงดันไฟฟ้าเกินกระแสเกินและความร้อน

เพื่อช่วยนักออกแบบในการเริ่มงาน STMicroelectronics ยังได้เสนอ STEVAL-IPFC01V1 3 kW PFC บอร์ดทดสอบการจัดการพลังงานโดยใช้ STNRGPF01 (รูปที่ 6) คุณสมบัติและข้อมูลจำเพาะประกอบด้วย:

  • ช่วงแรงดันไฟฟ้าขาเข้า: 90 ถึง 265 VAC
  • ช่วงความถี่ของเส้น: 47 ถึง 63 เฮิรตซ์ (Hz)
  • กำลังขับสูงสุด: 3 กิโลวัตต์ที่ 230 โวลต์
  • แรงดันขาออก: 400 โวลต์
  • PF: > 0.98 ที่โหลด 20%
  • ความผิดเพี้ยนของฮาร์มอนิกทั้งหมด: <5% ที่โหลด 20%
  • การควบคุมสัญญาณผสม
  • ความถี่ในการเปลี่ยน: 111 กิโลเฮิรตซ์ (kHz)
  • การควบคุมวงจรโดยวงจร (ลูปควบคุมกระแสอนาล็อก)
  • แรงดันไฟฟ้าอินพุตและโหลดฟีดไปข้างหน้า
  • การส่องเฟส
  • การทำงานในโหมดถ่ายต่อเนื่อง

รูปภาพของ STMicroelectronics แผนภาพบล็อก STEVAL-IPFC01V1รูปที่ 6: แผนภาพบล็อก STEVAL-IPFC01V1 แสดง: 1. สัญญาณการวัด I/O; 2. วงจรอนาล็อก; 3 พาวเวอร์สเตจ; 4 ส่วนควบคุมแบบดิจิตอลพร้อมคอนโทรลเลอร์ดิจิตอล STNRGPF01 ใน PFC แบบสอดประสานสามเฟส (แหล่งรูปภาพ: STMicroelectronics)

นอกจากตัวควบคุมสัญญาณแบบผสม STNRGPF01 แล้วคณะกรรมการประเมินนี้ยังรวมถึง STW40N60M2 N-channel, 600 volt, 34 ampere (A) MOSFETS Qg silicon กำลังต่ำ และ PM8834TR เกทไดรเวอร์ ICs

PFC เสาโทเท็มแบบไร้สะพานพร้อม GaN FETs

โทโพโลยี PFC แบบไร้สะพานได้รับการพัฒนาเพื่อกำจัดแรงดันไฟฟ้าตกและความไร้ประสิทธิภาพที่เกี่ยวข้องกับการใช้การแก้ไขสะพานไดโอด PFCs เสาโทเทมแบบไร้สะพานได้รับการเปิดใช้งานโดยการเกิดขึ้นของเซมิคอนดักเตอร์กำลัง WBG เช่น GaN และ SiC (รูปที่ 7) ในการออกแบบเสาโทเทมแบบเดิม (a) จะใช้ GaN FET สองตัวและไดโอดสองตัวสำหรับการแก้ไขเส้น ในการปรับเปลี่ยนเสาโทเทมแบบไร้สะพาน (b) ไดโอดจะถูกแทนที่ด้วยมอสเฟตซิลิกอนความต้านทานต่ำสองตัวเพื่อแทนที่แรงดันกระแส (IV) ของไดโอดที่ลดลงเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ

แผนภาพของ GaN FET สองตัวและไดโอดสองตัวใช้สำหรับการแก้ไขบรรทัดรูปที่ 7: GaN FET สองตัวและไดโอดสองตัวใช้สำหรับการแก้ไขเส้นในการออกแบบเสาโทเท็มแบบเดิม (a) ในวงจรดัดแปลง (b) ไดโอดจะถูกแทนที่ด้วย MOSFET ซิลิกอนความต้านทานต่ำสองตัวเพื่อแทนที่แรงดันไฟฟ้าที่ลดลงในปัจจุบันของไดโอดเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพในเสาโทเทมแบบไร้สะพาน (แหล่งรูปภาพ: Transphorm)

ค่าใช้จ่ายในการกู้คืนย้อนกลับ (Qrr) ที่มีขนาดเล็กลงอย่างมีนัยสำคัญของทรานซิสเตอร์แบบเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนสูง GaN (HEMTs) เมื่อเทียบกับซิลิคอน MOSFET ทำให้การออกแบบเสาโทเทมแบบไร้สะพานใช้งานได้จริง (รูปที่ 8) ในแผนผังที่เรียบง่ายนี้ของ PFC เสาโทเทมใน CCM มุ่งเน้นที่การลดการสูญเสียการนำไฟฟ้า

แผนผังที่เรียบง่ายของ PFC เสาโทเท็มในโหมด CCM (คลิกเพื่อดูภาพขยาย)รูปที่ 8: แผนผังที่เรียบง่ายของ PFC เสาโทเทมในโหมด CCM ประกอบด้วย GaN HEMT แบบสลับเร็วสองตัว (Q1 และ Q2) ที่ทำงานที่ความถี่มอดูเลตความกว้างพัลส์สูงและทำหน้าที่เป็นตัวแปลงเพิ่มและ MOSFET ความต้านทานต่ำมากสองตัว (S1 และ S2) ทำงาน ที่ความถี่สายที่ช้ากว่ามาก (50Hz/60Hz) (แหล่งรูปภาพ: Transphorm)

วงจรประกอบด้วย GaN HEMT แบบสลับเร็วสองตัว (Q1 และ Q2) และมอสเฟตความต้านทานต่ำมากสองตัว (S1 และ S2) Q1 และ Q2 ทำงานที่ความถี่การมอดูเลตความกว้างพัลส์สูง (PWM) และทำหน้าที่เป็นตัวแปลงเพิ่ม S1 และ S2 ทำงานที่ความถี่ของสายที่ช้ากว่ามาก (50 Hz / 60 Hz) และทำหน้าที่เป็นวงจรเรียงกระแสแบบซิงโครไนซ์ เส้นทางกระแสหลักประกอบด้วยสวิตช์เร็วหนึ่งสวิตช์และสวิตช์ช้าหนึ่งสวิตช์เท่านั้นโดยไม่มีไดโอดตก บทบาทของ S1 และ S2 เป็นของวงจรเรียงกระแสที่ซิงโครไนซ์ดังที่แสดงใน 8 (b) และ 8 (c) ในระหว่างรอบ AC ที่เป็นบวก S1 จะเปิดและ S2 จะปิดบังคับให้สายกลาง AC ที่เชื่อมโยงกับขั้วลบกับเอาต์พุต DC ตรงข้ามกับวัฏจักรเชิงลบ

เพื่อให้การทำงานของ CCM ไดโอดร่างกายของทรานซิสเตอร์ทาสต้องทำหน้าที่เป็นไดโอดฟลายแบ็คเพื่อให้กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำไหลในช่วงเวลาที่ตาย อย่างไรก็ตามกระแสของไดโอดต้องลดลงอย่างรวดเร็วเป็นศูนย์และเปลี่ยนเป็นสถานะการปิดกั้นย้อนกลับเมื่อสวิตช์หลักเปิดขึ้น นี่เป็นกระบวนการที่สำคัญสำหรับ PFC แบบขั้วโทเทมซึ่งด้วย Qrr ที่สูงของไดโอดในร่างกายของ Si MOSFET ที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงส่งผลให้เกิดการเพิ่มขึ้นอย่างผิดปกติความไม่เสถียรและการสูญเสียการสลับที่เกี่ยวข้องสูง Qrr ต่ำของสวิตช์ GaN ช่วยให้นักออกแบบสามารถเอาชนะอุปสรรคนี้ได้

นักออกแบบสามารถศึกษาการทำงานของวงจรโดยใช้ TDTTP4000W066C ของ Transphorm 4 kW บอร์ดทดสอบ PFC เสาโทเทมแบบไร้สะพาน โดยใช้ MA330048 dsPIC33CK256MP506 plug-in module (PIM) ไฟดิจิตอลจาก Microchip Technology เป็นตัวควบคุม การแปลงเฟสเดียวที่มีประสิทธิภาพสูงมากทำได้ด้วย Transphorm’s Gen IV (SuperGaN) TP65H035G4WS GaN FETs การใช้ Transphorm GaN FET ในขาสวิตช์อย่างรวดเร็วของวงจรและ MOSFET ความต้านทานต่ำในขาสวิตช์ช้าของวงจรส่งผลให้ประสิทธิภาพและประสิทธิภาพดีขึ้น

เสาโทเท็มแบบสองทิศทาง PFC รวมซิลิคอน FETs และ SiC FETs

สำหรับนักออกแบบยานยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่แบบโต้ตอบกริดและระบบจัดเก็บพลังงานแบบใช้แบตเตอรี่ Infineon ขอเสนอ EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 บอร์ดทดสอบแก้ไข PF แบบเสาโทเท็ม 3300 วัตต์พร้อมความสามารถในการจ่ายพลังงานแบบสองทิศทาง (รูปที่ 9) บอร์ด PFC เสาโทเท็มไร้สะพานนี้ให้ความหนาแน่นของพลังงานสูงถึง 72 วัตต์ต่อลูกบาศก์นิ้ว โทเทมโพลที่ติดตั้งในบอร์ด EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 ทำงานใน CCM ทั้งในโหมด rectifier (PFC) และอินเวอร์เตอร์โดยใช้การควบคุมแบบดิจิทัลเต็มรูปแบบโดยใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ Infineon XMC1000 ซีรีส์

บล็อกไดอะแกรมของ Infineon Technologies EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 3300 watt โทเทมโพง PFC บอร์ดทดสอบรูปที่ 9: +บล็อกไดอะแกรมของ EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 บอร์ดทดสอบ PFC โทเทมโพล 3300 วัตต์แสดงโครงสร้างโทโพโลยีที่ให้ความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้า 72 วัตต์ต่อลูกบาศก์นิ้วตามที่ระบุไว้ของบอร์ด (แหล่งรูปภาพ: Infineon Technologies)

เสาโทเทรม PFC นี้เป็นการผนวกรวมกันของ IMZA65R048M1 จาก Infineon 64 milliohm (mΩ), 650 volt, CoolSiC SiC MOSFETs และ IPW60R017C7 17 mΩ, 600 volt, CoolMOS C7 silicon power MOSFETs ตัวแปลงทำงานเฉพาะที่ high line (ขั้นต่ำ 176 โวลต์ rms, 230 โวลต์ rms ระบุ) ใน CCM ด้วยความถี่สวิตชิ่ง 65 kHz และให้ประสิทธิภาพสูงถึง 99% ที่โหลดครึ่งหนึ่ง อุปกรณ์ Infineon เพิ่มเติมที่ใช้ในโซลูชันเสาโทเทมแบบสองทิศทาง 3300 วัตต์ (PFC/AC-DC และอินเวอร์เตอร์/AC-DC) ได้แก่ :

  • 2EDF7275FXUMA1เกทไดรเวอร์แบบแยก
  • ICE5QSAGXUMA1 QR ฟลายแบ็คคอนโทรลเลอร์ที่มาพร้อม IPU95R3K7P7 950 volt CoolMOS P7 MOSFET สำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบไบแอส
  • XMC1404 ไมโครคอนโทรลเลอร์สำหรับการควบคุมการใช้งาน PFC

สรุป

PF ที่ต่ำทำให้เกิดความไร้ประสิทธิภาพในระบบกริดยูทิลิตี้และในตัวแปลงไฟทำให้ PFC จำเป็นสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้ไฟ AC หลายชนิดโดยมีข้อบังคับกำหนดระดับ PF ขั้นต่ำสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บางประเภท เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดเหล่านี้ในขณะเดียวกันก็ต้องตอบสนองความต้องการปัจจัยของรูปแบบที่เล็กลงและประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น นักออกแบบจึงต้องการทางเลือกอื่นแทนเทคนิค PFC แบบพาสซีฟที่เรียบง่ายและต้นทุนต่ำ

ดังที่แสดงให้เห็นว่านักออกแบบสามารถใช้การออกแบบ PFC ที่ใช้งานได้แทนโดยใช้เทคนิคการควบคุมแบบดิจิทัลและเซมิคอนดักเตอร์ WBG เช่น SiC และ GaN เพื่อให้ได้ PF ที่สูงขึ้นและการออกแบบที่กะทัดรัดยิ่งขึ้น

บทความที่แนะนำ

  1. การออกแบบโซลูชันการแก้ไขตัวประกอบกำลังแบบสอดแทรกที่มีประสิทธิภาพ
  2. ใช้ MOSFET ที่ใช้ SiC เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

About this author

Jeff Shepard

Jeff has been writing about power electronics, electronic components, and other technology topics for over 30 years. He started writing about power electronics as a Senior Editor at EETimes. He subsequently founded Powertechniques, a power electronics design magazine, and later founded Darnell Group, a global power electronics research and publishing firm. Among its activities, Darnell Group published PowerPulse.net, which provided daily news for the global power electronics engineering community. He is the author of a switch-mode power supply text book, titled “Power Supplies,” published by the Reston division of Prentice Hall.

Jeff also co-founded Jeta Power Systems, a maker of high-wattage switching power supplies, which was acquired by Computer Products. Jeff is also an inventor, having his name is on 17 U.S. patents in the fields of thermal energy harvesting and optical metamaterials and is an industry source and frequent speaker on global trends in power electronics. He has a Masters Degree in Quantitative Methods and Mathematics from the University of California.

About this publisher

Digi-Key's North American Editors