Ontwerp meer effectieve vermogensfactorcorrectie met behulp van brede bandkloof halfgeleiders en digitale controle

De correctie van de arbeidsfactor (PFC) is nodig om de efficiëntie van apparatuur die op het lichtnet werkt te maximaliseren, zoals AC/DC-voedingen, batterijladers, energieopslagsystemen op basis van batterijen, motoraandrijvingen en ononderbreekbare voedingen. Het belang ervan is zodanig dat er voorschriften zijn die de minimale vermogensfactor (PF) voor specifieke soorten elektronische apparatuur voorschrijven.

Om aan deze voorschriften te voldoen en om de algemene prestaties binnen steeds kleiner wordende vormfactoren te verbeteren, wenden ontwerpers zich tot actieve PFC-ontwerpen die gebruik maken van digitale regeltechnieken en brede bandkloof-halfgeleiders zoals siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN).

In dit artikel worden de PF-concepten en -definities besproken, met inbegrip van de verschillende definities tussen de IEEE en de IEC en de bijbehorende normen. Het introduceert dan oplossingen voor PFC van leveranciers zoals STMicro-elektronica, Transphorm, Microchiptechnology, en Infineon Technologies die ontwerpers kunnen gebruiken om PFC te implementeren met behulp van brede bandkloof-halfgeleiders en digitale controle, inclusief het gebruik van evaluatieborden.

Wat is vermogensfactorcorrectie en waarom is die nodig?

PF is een maat voor het reactief vermogen in een systeem. Reactief vermogen is niet het ware vermogen, maar geeft de impact weer van volt en ampère die met elkaar uit fase zijn (Afbeelding 1). Omdat ze uit fase zijn, kunnen ze niet effectief bijdragen aan het werk, maar ze verschijnen nog steeds als een belasting voor de AC-voedingen. De hoeveelheid reactief vermogen in een systeem is een maatstaf voor de mate van inefficiëntie van de energieoverdracht. Actieve PFC gebruikt vermogenselektronica om de fase en/of vorm van de stroomgolfvorm die door een belasting wordt getrokken, te veranderen om de PF te verbeteren. Het gebruik van PFC verhoogt de algemene efficiëntie van het systeem.

Afbeelding 1: PF is gedefinieerd als de cosinus van θ en vertegenwoordigt de verhouding van het reële vermogen dat door de belasting wordt geabsorbeerd tot het schijnbare vermogen dat in de kringloop stroomt. Het verschil tussen de twee wordt veroorzaakt door het reactieve vermogen. Naarmate het reactieve vermogen bijna nul is, lijkt de belasting meer zuiver resistief, worden het schijnbare vermogen en het werkelijke vermogen geëgaliseerd, en wordt de PF 1.0. (Bron afbeelding: Wikipedia)

Slechte PF kan ontstaan bij lineaire of niet-lineaire belastingen. Niet-lineaire belastingen vervormen de spanningsgolfvorm of de stroomgolfvorm, of beide. Wanneer er sprake is van niet-lineaire belastingen, wordt dit vervorming PF genoemd.

Een lineaire belasting vervormt de vorm van de ingangsgolfvorm niet, maar kan de relatieve timing (fase) tussen spanning en stroom veranderen door de inductantie en/of capaciteit (Afbeelding 2). Elektrische schakelingen met overwegend weerstandsvermogen (bijv. gloeilampen en verwarmingselementen) hebben een PF van bijna 1,0, maar schakelingen met inductieve of capacitieve belastingen (bijv. schakelstroomomvormers, elektromotoren, magneetkleppen, transformatoren en lampvoorschakelapparaten) kunnen een PF hebben die ver onder 1,0 ligt.

Afbeelding 2: Momentane en gemiddeld vermogen berekend uit wisselspanning en stroom met een achterblijvende PF, waarbij de stroom de spanning van 0,71 van een lineaire belasting achterblijft. (Bron afbeelding: CUI, Inc.)

De meeste elektronische belastingen zijn niet lineair. Voorbeelden van niet-lineaire belastingen zijn switch-mode power convertors en boogontladingsapparaten zoals fluorescentielampen, elektrische lasmachines of vlamboogovens. Omdat de stroom in deze systemen wordt onderbroken door een schakelhandeling, bevat de stroom frequentiecomponenten die een veelvoud zijn van de netfrequentie. Vervorming PF is een maat voor de mate waarin de harmonische vervorming van een belastingsstroom het gemiddelde vermogen dat naar de belasting wordt overgedragen, vermindert.

Afbeelding 3: Sinusvormige spanning (geel) en niet-sinusvormige stroom (blauw) geven een vervorming PF van 0,75 voor deze computervoeding, wat een niet-lineaire belasting is. (Bron afbeelding: Wikipedia)

Het verschil tussen achterblijvende en toonaangevende PF

Een achterblijvende PF geeft aan dat de stroom achterblijft (achterblijft) bij de spanning, en een leidende PF geeft aan dat de stroomkabels (voorblijft) bij de spanning. Voor inductieve belastingen (bijv. inductiemotoren, spoelen en sommige lampen) blijft de stroom achter bij de spanning, waardoor een achterblijvende PF ontstaat. Bij capacitieve belastingen (bijv. synchrone condensators, condensatorbanken en elektronische vermogenconvertors) leidt de stroom de spanning, wat resulteert in een toonaangevende PF.

Het achterblijvende of leidende onderscheid staat niet gelijk aan een positieve of negatieve waarde. Het negatieve en positieve teken dat aan een PF-waarde voorafgaat, wordt bepaald door de gebruikte norm - de IEEE of de IEC.

PF en de IEEE versus de IEC

De diagrammen in Afbeelding 4 tonen de correlatie tussen kilowatt (kW) vermogen, volt-ampère reactief (var) vermogen, vermogensfactor, en inductieve of capacitieve belastingen voor zowel de IEEE- als de IEC-norm. Elke organisatie gebruikt verschillende metrieken om PF te classificeren.

Afbeelding 4: Volgens de IEC (links) is het vermogenfactor-teken uitsluitend afhankelijk van de richting van de werkelijke vermogensstroom en is het onafhankelijk van de inductieve of capacitieve belasting. Volgens de IEEE (rechts) is het power factor-teken uitsluitend afhankelijk van de aard van de belasting (die capacitief of inductief is). In dit geval is het onafhankelijk van de richting van de werkelijke energiestroom. (Bron afbeelding: Schneider Electric)

Volgens de IEC (links in Afbeelding 4) is het PF-teken uitsluitend afhankelijk van de richting van de werkelijke vermogensstroom en is het onafhankelijk van de inductieve of capacitieve belasting. Volgens de IEEE (rechterzijde van Afbeelding 4) is het PF-teken uitsluitend afhankelijk van de aard van de belasting (die capacitief of inductief is). In dit geval is het onafhankelijk van de richting van de werkelijke energiestroom. Bij een inductieve belasting is de PF negatief. Voor een capacitieve belasting is de PF positief.

PF-normen

Regelgevende instanties zoals de EU hebben harmonische grenswaarden vastgesteld om PF te verbeteren. Om te voldoen aan de huidige EU-norm EN61000-3-2 (die is gebaseerd op IEC 61000-3-2), moeten alle schakelende voedingen met een uitgangsvermogen van meer dan 75 Watt PFC bevatten. 80 PLUS voedingscertificering door EnergyStar vereist een PF van 0,9 of meer bij 100% van het nominale uitgangsvermogen en vereist actieve PFC. De laatste editie van de IEC-norm op het moment van dit schrijven is: IEC 61000-3-2:2018, "Elektromagnetische compatibiliteit (EMC) - Deel 3-2: Limieten - Limieten voor de emissie van harmonische stromen (ingangsstroom van de apparatuur ≤16 A per fase)".

Ongecorrigeerde switch-mode vermogenconvertors voldoen niet aan de huidige PFC-normen. Een overweging die van invloed is op PF is welk type AC-ingang wordt gebruikt: eenfasig of driefasig. Eenfasige ongecorrigeerde schakelende voedingen hebben doorgaans een PF van ongeveer 0,65 tot 0,75 (met behulp van de hierboven beschreven IEEE-conventie voor PF-teken). Dit komt omdat de meeste apparaten een gelijkrichter/condensator aan de voorkant gebruiken om een DC-busspanning te maken. Deze configuratie trekt alleen stroom op de piek van elke lijncyclus, waardoor smalle, hoge stroompulsen ontstaan die resulteren in slechte PF (zie Afbeelding 3, hierboven).

Driefasige ongecorrigeerde switch-mode vermogenconvertors hebben een hogere PF, vaak in de buurt van 0,85 (ook met behulp van de IEEE-conventie voor PF-teken). Dit komt omdat, ook al wordt een gelijkrichter/condensator gebruikt om een DC-busspanning te maken, er drie fasen zijn die de algehele PF verbeteren. Noch de enkelfasige, noch de driefasige schakelende vermogensomzetters kunnen echter aan de huidige PF-voorschriften voldoen zonder gebruik te maken van een actief PF-correctiecircuit.

Het gebruik van WBG-halfgeleiders en digitale besturing om actieve PFC te ontwerpen

Het gebruik van digitale regeltechnieken en brede bandkloof vermogenshalfgeleiders, waaronder GaN en SiC, bieden ontwerpers nieuwe opties voor actieve PFC-circuits die een hogere efficiëntie en hogere vermogensdichtheid kunnen leveren in vergelijking met actieve PFC-ontwerpen op basis van analoge regeling of passieve PFC-ontwerpen.

Ontwerpers kunnen analoge regelaars vervangen door geavanceerde digitale regeltechnieken of de analoge regeling aanvullen met extra digitale regelelementen, waaronder microcontrollers, om de maximale PFC-prestaties te bereiken. In sommige gevallen kunnen WBG-halfgeleiders ook worden gebruikt om de PFC-prestaties te verbeteren.

De dalende kosten van de componenten hebben de implementatie van twee verschillende methoden voor PFC versneld: interleaved-ontwerpen en brugvrije ontwerpen. Elke aanpak brengt een ander pakket aan voordelen met zich mee:

• Interleaved PFC voordelen:
  • Hogere efficiëntie
  • Verbeterde warmteverdeling
  • Verminderde rms-stroom door de PFC-fase
  • Modulariteit
• Bridgeless PFC voordelen:
  • Hogere efficiëntie
  • Halvering van de verliezen in de ingangscorrectie
  • Verbeterde warmteverdeling
  • Hogere vermogensdichtheid

Drie-kanaals interleaved PFC-regelaar combineert analoge en digitale besturing

De STNRGPF01 controller van STMicroelectronics is een configureerbare ASIC die digitale en analoge besturing combineert en tot drie kanalen in een interleaved PFC kan aansturen (Afbeelding 5). Het apparaat werkt in de continue geleidingsmodus (CCM) op een vaste frequentie met regeling van de gemiddelde stroomsterkte en voert een gemengde regeling van het signaal (analoog/digitaal) uit. De analoge binnenste stroomlus wordt door middel van hardware uitgevoerd, waardoor een cyclus-voor-cyclus regeling wordt gegarandeerd. De buitenste spanningslus wordt uitgevoerd door een digitale proportioneel-integrale (PI) regelaar met een snelle dynamische respons.

Afbeelding 5: Een functioneel blokschema van de STNRGPF01 toont het binnenste analoge regelgedeelte (rood) en het buitenste digitale regelgedeelte (groen) in een driefasige interleaved PFC toepassing. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

De STNRGPF01 implementeert een flexibele fase-afschuivingsstrategie die het juiste aantal PFC-kanalen mogelijk maakt op basis van de werkelijke belastingsconditie. Met deze functie is de STNRGPF01 altijd in staat om de hoogste vermogensefficiëntie te garanderen over een breed scala aan belastingsstroomvereisten.

De regelaar implementeert verschillende functies: inschakelstroomregeling, softstarten, barstmodus-koelmanagement en statusindicatie. Het beschikt ook over een volledige set van ingebedde beveiligingen tegen overspanning, overstroom en thermische storingen.

Om ontwerpers te helpen aan de slag te gaan, biedt STMicroelectronics ook de STEVAL-IPFC01V1 3 kW PFC vermogenbeheer evaluatiebord gebaseerd op de STNRGPF01 (Afbeelding 6). De kenmerken en specificaties zijn onder andere:

• Ingangsspanningsbereik: 90 tot 265 V_AC".
• Lijnfrequentiebereik: 47 tot 63 Hertz (Hz)
• Maximaal uitgangsvermogen: 3 kW bij 230 volt
• Uitgangsspanning: 400 volt
• PF: > 0,98 bij 20% belasting
• Totale harmonische vervorming: <5% bij 20% belasting
• Controle van het gemengde signaal
• Schakelfrequentie: 111 kilohertz (kHz)
• Cycle-by-cycle regeling (analoge stroomregelkring)
• Ingangsspanning en belastingsdoorvoer
• Faseverspilling
• Burst-mode werking

Afbeelding 6: STEVAL-IPFC01V1 blokschema dat toont: 1. 1. I/O-meetsignalen 2. Analoge schakelingen; 3. 3. Vermogensfase; 4. Digitaal besturingsgedeelte met digitale besturing STNRGPF01; in een driefasige interleaved PFC. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Naast de STNRGPF01 mixed signaalcontroller bevat dit evaluatiebord STW40N60M2 N-kanaal, 600 volt, 34 ampère (A) laag Qg-siliciumvermogen MOSFETS en PM8834TR gate driver ICs.

Brugloze totempaal PFC met GaN FET's

Brugloze PFC-topologieën werden ontwikkeld om de spanningsdalingen en inefficiënties die gepaard gaan met het gebruik van de diodebruggelijkrichter te elimineren. Brugloze totempaal PFC's zijn mogelijk gemaakt door de opkomst van WBG vermogenshalfgeleiders zoals GaN en SiC (Afbeelding 7). In een conventioneel totempaalontwerp (a) worden twee GaN FET's en twee diodes gebruikt voor de lijnrechtvaardiging. Bij een brugvrije totempaalmodificatie (b) worden de diodes vervangen door twee laagohmige silicium MOSFET's ter vervanging van de stroomspanningsdalingen (IV) van de diodes om de efficiëntie te verbeteren.

Afbeelding 7: Twee GaN FET's en twee diodes worden gebruikt voor de lijngelijkrichter in een conventioneel totempoolontwerp (a); in een gewijzigd circuit (b) worden de diodes vervangen door twee silicium MOSFET's met lage weerstand om de stroomspanningsdalingen van de diodes te vervangen om de efficiëntie in de totempool zonder brug te verbeteren. (Bron afbeelding: Transphorm)

De aanzienlijk kleinere reverse recovery charge (Qrr) van de GaN high electron mobility transistors (HEMTs) in vergelijking met die van silicium MOSFETs maakt het ontwerpen van brugvrije totempalen praktisch (Afbeelding 8). In dit vereenvoudigde schema van een totempaal PFC in CCM ligt de focus op het minimaliseren van geleidingsverliezen.

Afbeelding 8: Vereenvoudigd schema van een totempaal PFC in CCM-modus bestaat uit twee snel schakelende GaN HEMT's (Q1 en Q2) die werken met een hoge pulsbreedtemodulatie frequentie en fungeren als een boost converter, en twee zeer lage weerstand MOSFET's (S1 en S2) die werken met een veel tragere lijnfrequentie (50Hz/60Hz). (Bron afbeelding: Transphorm)

Het circuit bestaat uit twee snel schakelende GaN HEMT's (Q1 en Q2) en twee MOSFET's met een zeer lage weerstand (S1 en S2). Q1 en Q2 werken met een hoge pulsbreedtemodulatie (PWM) frequentie en fungeren als een boostconvertor. S1 en S2 werken met een veel tragere lijnfrequentie (50 Hz/60 Hz) en functioneren als een gesynchroniseerde gelijkrichter. Het primaire stroompad omvat slechts één snelle schakelaar en één langzame schakelaar, zonder diodeval. De rol van S1 en S2 is die van een gesynchroniseerde gelijkrichter, zoals geïllustreerd in 8(b) en 8(c). Tijdens de positieve AC-cyclus staat S1 aan en S2 uit, waardoor de AC-neutrale lijn die is verbonden met de negatieve klem naar de DC-uitgang wordt geforceerd. Het tegenovergestelde geldt voor de negatieve cyclus.

Om de CCM-werking mogelijk te maken, moet de lichaamsdiode van de slave-transistor functioneren als een flybackdiode om de inductorstroom tijdens de dode tijd te laten stromen. De diodestroom moet echter snel tot nul worden gereduceerd en de overgang naar de omgekeerde blokkeringstoestand moet na het inschakelen van de hoofdschakelaar plaatsvinden. Dit is het kritische proces voor een totempaal PFC, die met de hoge Qrr van de lichaamsdiode van hoogspanning Si MOSFET's, resulteert in abnormale pieken, instabiliteit, en de bijbehorende hoge schakelverliezen. De lage Qrr van de GaN-schakelaars stelt ontwerpers in staat om deze barrière te overwinnen.

Ontwerpers kunnen de werking van de schakeling bestuderen met behulp van Transphorm's TDTTP4000W066C 4 kW brugeloze totempaal PFC evaluatiebord. Het gebruikt de MA330048 dsPIC33CK256MP506 digitale power plug-in module (PIM) van Microchip Technology als de controller. Zeer hoog rendement eenfasige conversie wordt bereikt met Transphorm's Gen IV (SuperGaN) TP65H035G4WS GaN FETs. Het gebruik van Transphorm GaN FET's in de snelschakelpoot van het circuit en MOSFET's met lage weerstand in de traagschakelpoot van het circuit resulteert in betere prestaties en efficiëntie.

Bidirectionele totempaal PFC combineert silicium FET's en SiC FET's

Voor ontwerpers van net-interactieve elektrische voertuigen en batterij-gebaseerde energieopslagsystemen biedt Infineon het EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 evaluatiebord, een 3300 watt totempaal PF corrector met bidirectioneel vermogen (Afbeelding 9). Deze brugloze totempaal PFC plaat levert een hoge vermogensdichtheid van 72 watt per kubieke inch. De totempaal die in de EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1-kaart is geïmplementeerd, werkt in CCM zowel in de gelijkrichter- (PFC) als in de omvormermodus, met volledige digitale besturingsimplementatie via de microcontroller van de serie Infineon XMC1000.

Afbeelding 9: Een blokschema van het EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 3300 watt totempaal PFC evaluatiebord toont de topologie die de gespecificeerde 72 watt per kubieke inch vermogensdichtheid van het bord levert. (Bron afbeelding: Infineon Technologies)

Deze totempaal PFC gebruikt een combinatie van Infineon's IMZA65R048M1 64 milliohm (mΩ), 650 volt, CoolSiC SiC MOSFET's en zijn IPW60R017C7 17 mΩ, 600 volt, CoolMOS C7 silicium power MOSFET's. De convertor werkt uitsluitend bij hoge lijn (176 volt rms minimaal, 230 volt rms nominaal) in CCM met een schakelfrequentie van 65 kHz en bereikt een rendement tot 99% bij halfbelasting. Extra Infineon-apparaten die in deze 3300 watt bi-directionele (PFC/AC-DC en inverter/AC-DC) totem-pooloplossing worden gebruikt, zijn onder andere:

• 2EDF7275FXUMA1 geïsoleerde gate drivers
• ICE5QSAGXUMA1 QR flyback controller met een IPU95R3K7P7 950 volt CoolMOS P7 MOSFET voor de bias hulpvoeding
• XMC1404 microcontroller voor PFC-besturingsimplementatie

Conclusie

Een lage PF introduceert inefficiënties in het elektriciteitsnet en in stroomconvertors, waardoor PFC noodzakelijk is voor een verscheidenheid aan apparatuur die op het lichtnet werkt, met voorschriften die minimale PF-niveaus voorschrijven voor specifieke soorten elektronische apparaten. Om aan deze wettelijke eisen te voldoen en tegelijkertijd tegemoet te komen aan de behoefte aan kleinere vormfactoren en betere prestaties, hebben ontwerpers een alternatief nodig voor eenvoudige en goedkope passieve PFC-technieken.

Zoals getoond, kunnen ontwerpers in plaats daarvan actieve PFC-ontwerpen implementeren met behulp van digitale besturingstechnieken en WBG-halfgeleiders zoals SiC en GaN om hogere PF's en compactere ontwerpen te bereiken.

Aanbevolen leesmateriaal

1. Het ontwerpen van efficiënte interleaved oplossingen voor vermogensfactorcorrectie
2. Gebruik van SiC-gebaseerde MOSFET's om de efficiëntie van de stroomconversie te verbeteren