Pasywne i aktywne układy korekcji współczynnika mocy
| TechnikaWspółczynnik mocy (power factor, PF) jest miarą wykorzystania energii elektrycznej pobieranej przez odbiorniki zasilane z sieci energetycznej. Definiuje się go jako stosunek mocy czynnej do mocy pozornej lub w przypadku sinusoidalnych przebiegów napięcia i prądu jako kosinus kąta przesunięcia fazowego między nimi.
Częstotliwość przełączania korektorów BCM
W przekształtnikach BCM czas załączenia klucza tranzystorowego jest stały w całym okresie częstotliwości sieciowej. Z kolei czas wyłączenia zmienia się w zależności od chwilowej wartości napięcia sieciowego i najdłuższy jest przy jego maksymalnej wartości.
Największa częstotliwość przełączania występuje z kolei, gdy napięcie sieciowe maleje do zera. Określając częstotliwość przełączania klucza, uwzględnić należy też często ignorowane zjawisko rezonansu, które zachodzi, gdy natężenie prądu cewki spada do zera.
Rys. 10. Przebieg prądu cewki przekształtnika w trybie ciągłym |
Rys. 11. Przekształtnik BCM |
Jest ono spowodowane występowaniem pasożytniczych pojemności komponentów przekształtnika (tranzystora, złącza diody oraz uzwojeń cewki). W rezultacie okres przełączania powinien być sumą trzech składników: czasu załączania wyrażanego zależnością
tzał = (2·L·Pwy)/(η·Uwe²),
gdzie Pwy - moc wyjściowa, L - indukcyjność cewki, Uwe - skuteczna wartość napięcia, η - sprawność zasilacza, czasu wyłączenia, który jest proporcjonalny do czasu załączania według zależności:
twył = (Uwe(t)·ton)/(Uwy-Uwe(t)),
gdzie Uwy to napięcie wyjściowe oraz przedziału czasu, w którym podczas rezonansu napięcie na kluczu będzie minimalne trez = π·√(L·Crez), gdzie Crez - pojemność obwodu rezonansowego.
Korektory BCM przełączane
Gdy prąd cewki spada do zera, dioda przekształtnika zostaje spolaryzowana zaporowo. Taka naturalna komutacja jest główną zaletą korektorów PFC pracujących w trybie BCM, ponieważ pozwala na wykorzystanie tanich krzemowych diod.
Ze względu na straty wynikające z dużej amplitudy prądu cewki, korektory tego typu są jednak wykorzystywane głównie w zasilaczach o mocy do 300W. W urządzeniach większej mocy stosuje się zmodyfikowaną konstrukcję korektora PFC tego typu, w której są wykorzystywane dwa przekształtniki BCM działające naprzemiennie z przesunięciem w fazie o 180º.
Rys. 12. Napięcie na bramce tranzystora, prąd cewki oraz napięcie sieciowe dla połowy okresu częstotliwości sieciowej |
Rys. 13. Kontrolery do korektorów PFC BCM przełączanych dostarcza m.in. firma Fairchild Semiconductor. Na rysunku przykład wykorzystania kontrolera typu FAN9611 / FAN9612 tego producenta |
Rozwiązanie to łączy w sobie zalety korektorów z przekształtnikami CCM i BCM, tzn. małe straty przewodzenia oraz możliwość wykorzystania tańszych diod krzemowych. To pierwsze wynika stąd, że straty rozkładają się równomiernie na dwie gałęzie.
Ponadto ze względu na rozproszenie wydzielanego ciepła na większą liczbę komponentów można je efektywniej odprowadzić do otoczenia. Głównym wyzwaniem w realizacji przełączanego korektora BCM jest synchronizacja procesu przełączania obu przekształtników utrudniona przede wszystkim ze względu na zmienną częstotliwość przełączania. Dlatego wielu producentów oferuje specjalizowane układy scalone ułatwiające to zadanie (rys. 13).
Monika Jaworowska
