Efektywny korektor współczynnika mocy do systemów zasilających

Rys. 1. Konwerter współczynnika mocy jest umieszczany pomiędzy prostownikiem a kondensatorem filtrującym w zasilaczach i falownikach impulsowych

Konwertery PFC z przeplotem (dwufazowe) bazują na mikrokontrolerach lub specjalizowanych układach scalonych sterowników, dzięki czemu rozwiązanie finalne składa się tylko z kilku elementów. Ich podstawowym zadaniem jest zwiększenie wartości współczynnika mocy do wartości bliskiej jedności z 0,5...0,6, którym charakteryzują się praktycznie wszystkie układy zasilające mające na wejściu mostek diodowy z kondensatorem filtrującym o dużej pojemności.

Współczynnik mocy mniejszy od jedności oznacza, że prąd przez obciążenie pobierany jest nieliniowo, może to być efektem przesunięcia fazowego na skutek obciążenia reaktancyjnego, ale częściej problem z PFC dotyczy tego, że pobór prądu następuje w krótkich impulsach o dużej wartości pojawiających się w momencie, gdy kondensator filtrujący jest doładowywany z sieci.

W efekcie maksymalna chwilowa wartość prądu zasilającego jest znacznie większa, niż byłaby niezbędna, gdyby obciążenie miało charakter rezystancyjny (liniowy). W konsekwencji moc pozorna, a więc iloczyn napięcia zasilającego i tej maksymalnej szczytowej wartości prądu zasilającego, jest znacznie wyższa niż moc czynna pobierana przez urządzenie.

Rys. 2. Konwerter podwyższający napięcie pracujący w roli korektora współczynnika mocy

Konieczność zapewnienia do dyspozycji urządzenia większej mocy, niż faktycznie jest wykorzystywana, to tylko jeden z negatywnych skutków małej wartości współczynnika PFC. Drugi problem to harmoniczne wprowadzane do sieci na skutek nieliniowego (niesinusoidalnego) poboru prądu, bo wyższe składowe powiększają straty energii w sieci energetycznej.

Większe straty biorą się stąd, że wysoka maksymalna wartość prądu doładowującego pojemność filtrującą zwiększa spadek napięcia na przewodach zasilających, a harmoniczne prądu o wysokich częstotliwościach wytracają się w dużych pojemnościach między przewodami energetycznymi.

Z tych powodów norma IEC 61000-3-2 określa maksymalne poziomy harmonicznych prądu zasilającego, jakie może generować urządzenie elektryczne i tym samym narzuca użycie korektora PFC.

Korekcja PFC

Rys. 3. Kontrolery DSC firmy Microchip zawierają wydajny mikrokontroler rozbudowany o funkcje DSP oraz analogowe bloki peryferyjne. W tym rozwiązaniu DSC odczytuje napięcia VAC VDC i prądy IAC oraz wartości IM1, IM2, aby zapewnić poprawne zbalansowanie obciążenia pomiędzy obie gałęzie

Najprostsza korekcja PFC to filtr LC, który włącza się szeregowo z przewodami sieci i który wygładza strome piki prądu zasilającego. Niemniej skuteczne działanie przy 50 Hz powoduje, że jest on duży i ciężki, a więc drogi. Na dodatek jest mało skuteczny. Rozwiązania aktywne wykorzystują konwerter impulsowy, który przetwarza wyprostowane i nieodfiltrowane napięcie sieci na napięcie stałe (rys. 1). Kondensator filtrujący dołącza się do wyjścia układu PFC.

Konwerter ten ma sterownik pracujący w taki sposób, aby prąd wejściowy był w fazie z napięciem i miał kształt sinusoidalny. Napięcie na kondensatorze filtrującym jest wyższe od szczytowej wartości napięcia zasilającego, zatem formalnie konwerter PFC jest zasilaczem podwyższającym napięcie (boost converter).

Taki wybór wynika z konieczności zachowania ciągłości prądu wejściowego i możliwości regulacji jego wartości tak, aby zachować zgodność kształtu z sinusoidą i tę samą fazę, co napięcie zasilające. Dodatkowo konwerter boost ma mniejsze tętnienia prądu ładującego pojemność wyjściową oraz prostszy układ sterowania tranzystorem przełączającym. Od strony układowej korektor jest prostym obwodem składającym się z dławika, diody, tranzystora przełączającego i sterownika (rys. 2). Reszta elementów takich jak kondensator filtrujący i mostek Gretza i tak zawsze jest w zasilaczu.

Sterownik klasyczny (jednofazowy, bez przeplotu)

Za realizację korekcji odpowiada sterownik scalony definiujący większość parametrów użytkowych tej konstrukcji. Przykładem takiego rozwiązania jest PFS7523 firmy Power Integrations z rodziny HiperPFS. Zawiera on sterownik konwertera boost pracujący w trybie z ciągłością prądu CCM oraz ma wbudowaną diodę i tranzystor mocy. Przy jego wykorzystaniu nie trzeba korzystać też z zewnętrznych rezystorów szeregowych do pomiaru prądu. PFS7523 pracuje ze zmienną częstotliwością kluczowania.

Sterownik PFC ze sterownikiem programowalnym

Rys. 4. Działanie korektora PFC z przeplotem opiera się w znaczniej mierze na oprogramowaniu zawartym w pamięci DSC

Tradycyjny korektor PFC zawsze zawiera dość dużych rozmiarów dławik wymagany do tego, aby utrzymać tętnienia prądu wyjściowego na możliwie małym poziomie. To ograniczenie próbuje się pokonać za pomocą konwertera z przelotem (dwufazowego). Faktycznie są to dwie klasyczne jednostki pracujące z przesunięciem fazy o 180°, a więc na zmianę. Ogranicza to tętnienia prądu wejściowego i płynącego przez pojemność filtrującą, co pozwala zastosować dławik o mniejszych rozmiarach i mniejszy wejściowy filtr EMI. Mniejsze tętnienia prądu wyjściowego pozwalają też zmniejszyć wartość pojemności filtrującej.

Korektor z przeplotem może zostać wykonany za pomocą kontrolera sygnałowego DSC, takiego jak DSPIC33FJ06GS202 firmy Microchip lub MC56F8006 Freescale. DSC zawiera wydajny procesor o funkcjonalności zbliżonej do DSP, przetwornik ADC układ PWM i inne. DSC wykorzystuje przetwornik ADC do pomiaru chwilowego napięcia na wejściu i prądu oraz następnie steruje tak tranzystorami MOSFET w obu kanałach, aby otrzymać pożądaną charakterystykę (rys. 3). Użycie DSC ułatwia też synchronizację częstotliwości kluczowania tranzystorów w obu gałęziach, jak też proste zapewnienie, aby oba konwertery działały dokładnie w przeciwfazie. Takie funkcje są implementowane w algorytmie sterującym zapisanym we firmwarze (rys. 4).

Wielofazowe kontrolery specjalizowane

Rys. 5. Specjalizowane układy korektorów PFC takie jak UCC280070 firmy Texas Instruments wymagają do pracy dołączenia tylko kilku elementów zewnętrznych

Scalone kontrolery specjalizowane zapewniają prostą realizację układową kosztem mniejszej funkcjonalności. Do pracy wymagają dołożenia tylko kilku elementów zewnętrznych i ich konstrukcja bazuje na przetwornicy podwyższającej napięcie (rys. 5). Przykładowy UCC28070 produkowany przez TI zawiera dwa pracujące równolegle korektory z trybem ciągłości prądu CCM.

Układ zawiera dwa niezależne obwody pomiaru prądu zapewniające precyzję pomiaru także dla przebiegów silnie odkształconych i pozwala na rozszerzenie konfiguracji na układ wielofazowy przez dołączenie kolejnych układów UCC28070 (4-fazowy, 6-fazowy itd.). Takie rozwiązania są i będą w przyszłości stosowane w zasilaczach i inwerterach o dużej mocy wyjściowej.

Rozwiązania BCM

Rys. 6. Kontroler FAN9611MX Fairchilda pracujący w trybie BCM zapewnia wysoką sprawność działania korektora PFC dzięki precyzyjnie działającemu układowi kontroli zera prądu w dławiku

Jak wspomniano, większość korektorów PFC pracuje w trybie z ciągłością prądu w indukcyjności CCM po to, aby zapewnić jak najmniejsze tętnienia. Niemniej na rynku można znaleźć także układy BCM, a więc pracujące w obszarze pomiędzy ciągłością i nieciągłością prądu. Ich zaletą są lepsze warunki pracy diody współpracującej z tranzystorem przełączającym, co skutkuje niższą emisją zaburzeń EMI i łagodniejszymi warunkami pracy tego elementu. W układach BCM wejściowy filtr sieciowy i wyjściowy też mają niewielkie rozmiary, co niekiedy bywa bardzo istotne.

Przykładem sterowników konwerterów PFC pracujących w trybie BCM są FAN9611MX Fairchild Semiconductor i UCC28063 Texas Instruments. Mają one wbudowane układy detekcji zera prądu w indukcyjności zapewniające pracę w tzw. obszarze krytycznym (rys. 6). Układ ten działa inaczej niż zwykłe rozwiązania opierające się na dodatkowym uzwojeniu kontrolnym wykonanym na dławiku i pomiarze maksimum napięcia.

FAN9611MX nie wymaga dodatkowego uzwojenia i pomiar opiera na obserwacji kształtu zbocza napięcia na dławiku. Według producenta jest to dokładniejsza metoda prowadząca do zwiększenia sprawności tego rozwiązania.

Digi-Key Electronics Germany
www.digikey.pl