Układy korygujące współczynnik mocy

Stosowanie aktywnych układów korekcji współczynnika mocy jest konieczne od 1 stycznia 2001 na podstawie wymagań IEC1000-3-2, zobowiązujących do redukcji zawartości harmonicznych w prądzie, pobieranym z sieci energetycznej przez zasilacze. W niektórych tańszych urządzeniach małej mocy można stosować bierne układy korekcyjne. Takie układy, składające się tylko z dławików i kondensatorów, są proste i skuteczne w urządzeniach małej mocy. Wymagają jednak kondensatorów filtrujących o dużej pojemności, mogą być stosowane w wąskim zakresie napięcia wejściowego, mają mały czas retencji i wykazują na wyjściu tętnienia niskiej częstotliwości. Zatem powyżej 200W aktywny korektor staje się niezbędny.

Najłatwiejszym i najtańszym sposobem realizacji aktywnej korekcji współczynnika mocy jest użycie układu zasilacza podwyższającego napięcie (boost converter) od wejściowej strony zasilacza. Dwa najczęściej stosowane rozwiązania układów pobudzających do aktywnej KWM pracują w trybie przepływu przerywanego (transition mode) i w trybie przepływu ciągłego (continuous-current mode).

Nazwy te odnoszą się do sposobu, w jaki pobierany prąd przepływa przez dławik korektora. W trybie ciągłym prąd przepływający cykl po cyklu przez indukcyjność nie maleje do zera. Przeciwieństwem jest tryb przepływu nieciągłego. Prąd pod koniec każdego cyklu maleje do zera, a ponowny jego wzrost w następnym cyklu następuje po pewnym czasie martwym.

Który tryb jest lepszy?

Korekcja współczynnika mocy w trybie nieciągłym jest prostsza i tańsza. Jest powszechnie używana w statecznikach lamp jarzeniowych, przetwornikach i w zasilaczach impulsowych niskiej mocy. Ta prostsza technika sterowania umożliwia użycie tanich 8-wyprowadzeniowych sterowników korektorów lub, jeśli to możliwe, mikrokontrolerów. Pętlę sterującą tworzy się korzystając z informacji o chwilowym napięciu sieci energetycznej, sygnału wyjściowego wzmacniacza błędu i przełączania o zmiennej częstotliwości. Inną metodą jest ustalenie stałego czasu przewodzenia tranzystora przełączającego MOSFET. W obu przypadkach następny cykl jest rozpoczynany od wykrycia spadku do zera prądu w cewce. Zatem szczytowe natężenie prądu w indukcyjności jest proporcjonalne do chwilowego napięcia wejściowego sieci, upodobniając średni prąd wejściowy do napięcia wejściowego i podwyższając znacznie współczynnik mocy (rys. 1a).

Rys. 1. W układzie do korektora pracującego w trybie nieciągłymprąd w cewce cykl po cyklu maleje do zera (a). W trybie ciągłym prąd w cewce nie maleje do zera.Dzięki temu zaburzenia elektromagnetyczne, a także wartość skutecznaprądu w cewce, są mniejsze (b).

W trybie prądu ciągłego stosuje się sterowanie stałą częstotliwością. Suma czasów przewodzenia i odcięcia tranzystora przełączającego jest stała. Indukcyjność dławika dla tej samej mocy i częstotliwości jest większa niż w trybie przerywanym. Narastanie prądów przełączania przy pracy ciągłej jest łagodniejsze, a szczytowy prąd dławika mniejszy, dzięki czemu zaburzenia elektromagnetyczne i skuteczna wartość prądu w indukcyjności korektora i tranzystorze MOSFET są mniejsze (rys. 1b). Zmniejszenie prądu skutecznego skutkuje zmniejszeniem strat przewodzenia. Dlatego korektory z trybem ciągłym są preferowane do aplikacji o wyższych mocach (powyżej 300W).

Korekcja współczynnika mocy w trybie nieciągłym również ma szereg zalet. Sposób sterowania jest prostszy, więc sterowniki dla tego trybu pracy są w przybliżeniu o połowę tańsze od sterowników dla pracy ciągłej. Dławik korektora może być mniejszy i tańszy, ponieważ w końcu cyklu przełączania nie musi magazynować energii, a zastosowanie stałego czasu przewodzenia umożliwia użycie mikrokontrolera, co w niektórych aplikacjach pozwala zaoszczędzić na koszcie układu sterującego. Przełączanie diody usprawniającej ze stanu przewodzenia do stanu zablokowania odbywa się przy zerowym prądzie, co pozwala na użycie nie najszybszej, a zatem tańszej, diody usprawniającej. Wewnętrzna pętla prądowego sprzężenia zwrotnego jest tutaj znacznie szybsza przy sprzężeniu zwrotnym inicjowanym w każdym cyklu spadkiem prądu w cewce do zera.

W przypadku korektorów pracujących w trybie ciągłym przy tym samym średnim natężeniu prąd wejściowy narasta znacznie wolniej w porównaniu do trybu nieciągłego, dzięki czemu szczytowe natężenie prądu w dławiku jest mniejsze. Redukuje to koszt obwodów filtrujących na wejściu zasilacza. Mniejsze jest również skuteczne natężenie prądu przy tej samej mocy i częstotliwości, a zatem mniejsze straty przewodzenia w dławiku i tranzystorze przełączającym MOSFET. Stała częstotliwość przełączania umożliwia synchronizację korektora z konwerterami. Poza tym w dużych zamkniętych systemach, jak komputery, zmienna częstotliwość w trybie nieciągłym pracy korektora może nie być dopuszczalna.

Sterowniki korektora dla trybu nieciągłego

Największy wpływ na koszt systemu korekcji współczynnika mocy w TPP ma sterownik, nawet jeśli jest tańszy od MOSFET-a, czy diody. Warto więc przejrzeć parametry najczęściej używanych sterowników do pracy z nieciągłym przepływem prądu przez dławik.

Maksymalne znamionowe napięcie zasilania. Podczas gdy rozruchowe i nominalne napięcia zasilania są jednakowe dla większości sterowników, to maksymalne dopuszczalne V_CC niektórych jest wyższe od 30V. W standardowych aplikacjach korektorów może to nie być korzystne. Może jednak być istotne w tych aplikacjach, w których korekcja jest realizowana wraz z przetwornikiem DC-DC, jak w przetworniku jednostopniowym. Na przykład w zasilaczu o stałym prądzie wyjściowym ładowarki akumulatora zmiany napięcia wyjściowego mogą wykraczać poza normalną tolerancję 10%, zmieniając równocześnie napięcie zasilające układ scalony. W takim przypadku większe napięcie V_CC byłoby zaletą.

Wzmacniacz błędu. Niektóre sterowniki zawierają wzmacniacz transkonduktancyjny, a nie częściej spotykany wzmacniacz napięciowy. Wzmacniacze transkonduktancyjne umożliwiają oddzielenie wyprowadzenia napięciowego sprzężenia zwrotnego od wyprowadzenia kompensacji, pozwalając na większą elastyczność w projektowaniu. Ułatwiają także w razie potrzeby stosowanie optoizolatorów w obwodzie sprzężenia zwrotnego. Z drugiej jednak strony, są one bardziej podatne na zakłócenia, zwłaszcza wywoływane przez duże di/dt prądu drenu.

Ochrona nadnapięciowa i przed rozwarciem pętli sprzężenia zwrotnego. Większość sterowników korektorów współczynnika mocy w trybie nieciągłym zapewnia ochronę przed zbyt dużym napięciem wejściowym. Jednakże niektóre mają element rozróżniający, chroniący przed rozwarciem pętli sprzężenia zwrotnego. Ochrona ta może zostać zrealizowana, jeśli wyprowadzenie napięciowego sprzężenia zwrotnego nie jest wspólne z tym od ochrony nadnapieciowej.

Driver wyjściowy. Ponieważ tryb pracy nieciągłej jest przeznaczony do aplikacji o mniejszej mocy, prąd sterujący bramką tranzystora MOSFET mieści się zwykle w zakresie 0,5 do 1A. Trzeba zwrócić uwagę na szybkość wyłączania, od której w dużym stopniu zależą straty przełączania. Na szczęście szybkość włączania nie zależy od sterownika, ponieważ w trybie nieciągłym włączanie następuje przy zerowym prądzie.

Wewnętrzny wzorzec napięcia. Zazwyczaj sterownik jest wyposażony w wewnętrzny trymowany wzorzec napięcia o dokładności 1% lub 2%. Wyższa dokładność V_REF w zakresie temperatury pracy pozwala na dokładne ustalanie napięcia wyjściowego i optymalizowanie kosztu dławika i kondensatora wyrównującego.

Blokowanie czujnika prądu. Przy starannym zaprojektowaniu korektora wbudowane blokowanie czujnika prądu przez wprowadzenie czasu martwego przez odczytem (dead time) może wyeliminować potrzebę użycia zewnętrznych R i C tłumiących zakłócenia nakładające się na zbocza przebiegów.

Sterowniki dla trybu ciągłego

Zakres stosowania sterowania z ciągłym przepływem prądu przez dławik jest znacznie szerszy, ponieważ tryb ten jest używany niemal w każdym systemie o mocy przekraczającej 300W. Dzięki temu sterowniki są oferowane w dużym wyborze, od najprostszych układów o 8 wyprowadzeniach i tylko podstawowych funkcjach, do bardziej złożonych, mogących sterować dodatkowym aktywnym ogranicznikiem, czy pozwalających korzystać z techniki przełączania przy zerowym prądzie. Niektóre właściwości korektorów w trybie ciągłym pozostają takie same jak w dla poprzednio omówionego trybu nieciągłego:

• ochrona przed zbyt dużym napięciem i przed rozwarciem pętli sprzężenia zwrotnego,
• driver wyjściowy o dużej wydajności,
• precyzyjny wewnętrzny wzorzec napięcia,
• układ blokowania czujnika prądu.

Ze względu na złożoność, korektor współczynnika mocy w trybie z ciągłym prądem charakteryzuje więcej parametrów:

Obudowa. Obudowy o 8 wyprowadzeniach zapewniają oszczędność powierzchni na płytce i wyglądają bardzo innowacyjnie. Jednakże w większości zasilaczy współpracujących z siecią energetyczną powierzchnia nie jest najważniejsza. Trzeba więc zwrócić uwagę na dodatkowe komplikacje i koszty, spowodowane eliminacją niektórych możliwości, czy ich połączeniem w jednym wspólnym wielofunkcyjnym wyprowadzeniu. Na przykład konsekwencją małej liczby wyprowadzeń, czy małej wielkości obudowy, może być pogorszenie sterowalności bramki z powodu zwiększenia rezystancji termicznej.

Modulacja częstotliwości. Modulacja częstotliwości zmienia częstotliwość przełączania wraz ze zmianą sieciowego napięcia wejściowego. Zmiany te rozrzedzają widmo zaburzeń elektromagnetycznych, co obniża koszt elementów do ich filtrowania.

Ograniczanie cykl po cyklu prądu szczytowego. W małych obudowach zwykle w jednym wyprowadzeniu łączy się funkcję czujnika prądu dla pętli sprzężenia zwrotnego z funkcją ograniczania prądu szczytowego. Prowadzi to w niektórych aplikacjach do zawyżenia parametrów koniecznego tranzystora MOSFET.

Programowalność częstotliwości oscylatora. Programowalna częstotliwość przełączania pozwala optymalizować rozmiary dławika i straty przełączania.

Spadek napięcia sieci energetycznej. Ochrona przed skutkami spadku napięcia w sieci zapobiega ponownym uruchomieniom sterownika przez opadające zbocze sieciowego napięcia wejściowego. Zapobiega to pojawianiu się w trakcie wyłączania impulsu zakłócającego napięcie wyjściowe, a także chwilowym przeciążeniom podzespołów sterownika i przetwornika obniżającego.

Synchronizacja. Zastosowanie synchronizacji umożliwia korzystanie z tej samej częstotliwości przełączania przez sterownik korektora i konwerter, zapobiegając powstawaniu zakłócających efektów kolizji dwóch bardzo bliskich częstotliwości. W przypadku synchronizacji zboczy narastających dodatkową korzyścią jest możliwość zmniejszenia pojemności, a zatem i kosztu, kondensatora wyrównującego w skutek zmniejszenia prądu tętnień.

Diody usprawniające. Dioda usprawniająca jest drugim po sterowniku bardzo ważnym składnikiem układu do korekcji współczynnika mocy. W trybie nieciągłym pracy zaleca się stosowanie diod o czasie regeneracji (T_RR) krótszym od 200ns, zwykle 600 woltowych. W trybie ciągłym do wyboru jest ich kilka rodzajów.

• diody szybkie – liczni producenci oferują diody o T_RR krótszym od 50ns i spadku napięcia niższym od 1V. Dla większości średnich układów stanowią one wybór optymalny;
• diody podwójne – dla trybu nieciągłego o częstotliwości przełączania 100kHz lub wyższej straty zależne od T_RR są już znaczące. Jednak dla diod wysokonapięciowych czas ten przeważnie nie jest krótszy od 50ns. Krótszy czas, 30ns, osiągają diody o niższym napięciu (np. 300V), które można łączyć w szereg. W ten sposób tworzy się diody podwójne o napięciu 600V i TRR 30ns. Ich wadą jest podwojone napięcie przewodzenia, około 2V;
• wysokonapięciowe diody Schottky’ego – w niektórych nowych technologiach, jak SiC lub GaAs, powstały diody o charakterze zbliżonym do diod Schottky’ego o napięciu 600V i o bardzo niskim napięciu przewodzenia i prawie zerowym T_RR. Diody te nie są bardzo drogie i idealnie nadają się do aplikacji wymagających największej możliwej sprawności. Proces produkcyjny tych diod jest bardzo skomplikowany, a ich koszt trzy do czterokrotnie wyższy od kosztu porównywalnych diod szybkich. Wadą tych diod jest wrażliwość na krótkie impulsy, wymagają więc stosowania zabezpieczających obwodów RC;
• tranzystor MOSFET – do strat w MOSFET-cie zalicza się trzy składowe, straty ładowania i rozładowywania pojemności wyjściowej w każdym cyklu, straty ładowania bramki i straty przewodzenia. Zwykle w układach korektorów o szerokim zakresie wejściowym używa się MOSFET-ów 600V.

Analiza kosztu korektora 80W w trybie nieciągłym

W typowym układzie korektora w trybie nieciągłym za 90% kosztu odpowiada kondensator wejściowy (C1), dławik, dioda usprawniająca (D1), tranzystor MOSFET, kondensator wyrównujący (C5) i układ scalony sterownika (rys. 2).

Rys. 2. Układ do korektora pracującego w trybie nieciągłości prądu płynącego przez dławik.

Bardzo ważnym czynnikiem, który trzeba brać pod uwagę przy wyborze częstotliwości, są zaburzenia elektromagnetyczne. Zwykle przy częstotliwości 200kHz i wyższej oszczędności z małych pojemności C1 i C5 są eliminowane przez zwiększenie radiatorów do odbioru ciepła MOSFET-a i diody. W licznych notach aplikacyjnych układów scalonych sterowników można znaleźć dokładne dane o stratach przełączania w wymienionych na wstępie sześciu elementach układu.

Analiza kosztu korektora 300W w trybie ciągłym

Tryb z ciągłością prądu płynącego przez dławik korektora jest używany w systemach dużej mocy, w których zwykle najdroższymi elementami są MOSFET, a w dalszej kolejności diody i sterownik (rys. 3).

Rys. 3. Układ do korektora pracującego w trybie ciągłym o mocy do 400W.

Zwiększając wielkość MOSFET-a zmniejsza się straty przewodzenia, ale zwiększa straty powodowane jego pojemnością wyjściową i ładunkiem bramki. Nowsze MOSFET-y, o mniejszej pojemności wyjściowej i mniejszym ładunku bramki przy takiej samej rezystancji przewodzenia, zapewniają lepszą sprawność bez znacznego wzrostu kosztu.

W aplikacjach bardzo dużej mocy o najwyższej możliwie sprawności można próbować użycia bardziej skomplikowanych układów prądowych. Na przykład z dławikiem z odczepem pozwala zmniejszyć stres diody usprawniającej. Podobnie ogranicznik magnetyczny.

W niektórych zaawansowanych sterownikach korektorów redukcję strat przełączania uzyskuje się przez przełączanie przy zerowym prądzie lub zerowym napięciu. We wszystkich tych zaawansowanych technikach sprawność jest wyższa za cenę zwiększenia złożoności i liczby komponentów układu.

Można się spierać co do wartości tych technik. Być może staroświeckie podejście z użyciem lepszej diody, lepszego MOSFET-a i niższej częstotliwości przełączania ciągle jeszcze w wielu aplikacjach zapewni niższe koszty.

(KKP)