Hatékonyabb teljesítménytényező-korrekció megvalósítása széles tiltott sávú félvezető anyagokkal és digitális vezérléssel

A teljesítménytényező javítására (PFC-re) a váltóáramú hálózati berendezések, többek között AC-DC tápegységek, akkumulátortöltők, akkumulátoros energiatároló rendszerek, motoros hajtások és szünetmentes tápegységek hatékonyságának maximalizálása érdekében van szükség. Fontossága olyannyira kiemelt, hogy bizonyos típusú elektronikus berendezéseknél előírások határozzák meg a teljesítménytényező (PF) minimális szintjét.

A méretformátumok egyre kissebbé válásával együtt folyamatosan nagy igény van a teljesítmény általános javítására, és emiatt a tervezők állandóan nagy nyomásnak vannak kitéve. Az előírásoknak való megfelelés érdekében ezért az olyan aktív teljesítménytényező-javító kialakítások felé fordulnak, amelyek kihasználják a digitális vezérlési technikák és a széles tiltott sávú félvezető anyagok, például a szilícium-karbid (SiC) és a gallium-nitrid (GaN) által nyújtotta előnyöket.

Ez a cikk a teljesítménytényezővel kapcsolatos fogalmakat és definíciókat tekinti át, ideértve az IEEE és az IEC eltérő definícióit és a kapcsolódó szabványokat. Ezután az STMicroelectronics, a Transphorm, a Microchip Technology és az Infineon Technologies gyártóktól származó olyan megoldásokat mutat be, amelyeket a tervezők felhasználhatnak a teljesítménytényező-korrekció megvalósítására széles tiltott sávú félvezető anyagokkal és digitális vezérlés segítségével, ideértve a fejlesztőlapokat is.

Mi az a teljesítménytényező-javítás és miért van rá szükség?

A teljesítménytényező (PF) a rendszer meddő teljesítményének mértéke. A meddő teljesítmény nem azonos a hatásos teljesítménnyel, hanem a feszültség és áram jelalakja közti fáziseltolódás hatását mutatja (1. ábra). A közöttük fennálló fáziseltolódás miatt terhelésként jelenik meg, de mégis hatásos munkavégzés nélkül terheli a váltóáramú villamos hálózatot. Az, hogy mekkora a meddő teljesítmény egyik mutatója annak, hogy az adott rendszerben milyen hatékony az energiaátadás. Aktív teljesítménytényező-javítás esetén teljesítményelektronikai komponenseket használnak egy terhelés által felvett áram jelalakjának, fázisának és/vagy formájának a teljesítménytényező javítása érdekében történő módosítására. A teljesítménytényező javítása magával vonja az egész rendszer általános hatásfokának növelését is.

1. ábra A teljesítménytényező definíció szerint egyenlő cosθ-val, és a terhelés által felvett hatásos teljesítmény és az áramkörben áramló látszólagos teljesítmény hányadosa. Ez a kettő a meddő teljesítmény miatt nem egyenlő egymással. Ha a meddő teljesítmény nullához közelít, a terhelés egyre rezisztívebbnek tűnik, a látszólagos teljesítmény és a hatásos teljesítmény kiegyenlítődik, és a teljesítménytényező értéke 1,0 lesz. (Kép: Wikipedia)

A teljesítménytényező alacsony lehet lineáris vagy nemlineáris terheléseknél. A nemlineáris terhelések torzítják a feszültség vagy az áram jelalakját, vagy mindkettőt. Nem lineáris áramköri elemek esetén ezt torzítási teljesítménytényezőnek nevezzük.

A lineáris terhelések nem torzítják a bemeneti jelalakot, de induktív és/vagy kapacitív jellegük miatt megváltoztathatják a feszültség és az áram időbeli egybeesését (fáziseltolódását) (2. ábra). A túlnyomórészt rezisztív terheléseket (pl. izzólámpákat és fűtőelemeket) tartalmazó elektromos áramköröknél a teljesítménytényező értéke 1,0 felé közelít, viszont az induktív vagy kapacitív terheléseket (pl. kapcsoló üzemmódú áramátalakítókat, villanymotorokat, mágnesszelepeket, transzformátorokat és lámpa előtéteket) tartalmazó áramköröknél ez az érték jóval 1,0 alatt van.

2. ábra Váltóáramú feszültség és áramerősség alapján kiszámított pillanatnyi és átlagteljesítmény, 0,71 értékű induktív teljesítménytényezővel (vagyis, ahol az áram késik a feszültséghez képest) lineáris terhelés mellett. (Kép: CUI, Inc.)

Az elektronikus terhelések legnagyobb része nem lineáris. Nemlineáris terhelések többek között a kapcsolóüzemű áramátalakítók és az ívkisüléses eszközök, például a fénycsövek, elektromos hegesztőgépek vagy ívkemencék. Mivel ezekben a rendszerekben az áram megszakítása egy kapcsolási művelettel történik, ezért az áram tartalmaz olyan frekvenciakomponenseket is, amelyek a tápellátó rendszer frekvenciájának többszörösei. A torzítási teljesítménytényező mutatja azt, hogy egy terhelési áram harmonikusának torzulása mennyivel csökkenti a terhelésre jutó átlagteljesítményt.

3. ábra Ennél a számítógépes tápegységnél, ami egy nem lineáris terhelés, a szinuszos feszültség (sárga) és a nem szinuszos áram (kék) 0,75 torzítási teljesítménytényezőt eredményez. (Kép: Wikipedia)

Mi a különbség a „késő” (induktív) és „siető” (kapacitív) teljesítménytényező között

A „késő” teljesítménytényező elnevezés arra utal, hogy az áram késik a feszültséghez képest, a „siető” teljesítménytényező pedig azt jelenti, hogy az áram siet a feszültséghez képest. Induktív terhelések (pl. indukciós motorok, tekercsek és bizonyos lámpák) esetében az áram késik a feszültséghez képest, és ez késő (induktív) teljesítménytényezőt eredményez. Kapacitív terheléseknél (pl. szinkronkondenzátorok, kondenzátortelepek és elektronikus áramátalakítók) az áram siet a feszültséghez képest, és ez siető (kapacitív) teljesítménytényezőt eredményez.

A késő vagy siető elnevezés nem utal arra, hogy pozitív vagy negatív értékről van-e szó. A teljesítménytényezőt mutató szám előtti negatív vagy pozitív előjel az alkalmazott szabványtól (IEEE vagy IEC) függ.

A teljesítménytényező az IEEE és IEC szerint

A 4. ábrán látható a kilowattokban (kW) mért hatásos teljesítmény, a volt-amperben (var) mért meddő teljesítmény, a teljesítménytényező valamint az induktív vagy kapacitív terhelések közötti összefüggés az IEEE és az IEC szabványok szerint. Mindkét szervezet különböző mutatók szerint osztályozza a teljesítménytényezőt.

4. ábra Az IEC szerint (balról) a teljesítménytényező előjele kizárólag a hatásos teljesítmény áramlási irányától függ, függetlenül attól, hogy a terhelés induktív vagy kapacitív. Az IEEE szerint (jobbról) a teljesítménytényező előjele kizárólag a terhelés jellegétől függ (vagyis, hogy az kapacitív vagy induktív-e). Ebben az esetben az teljesen független a hatásos teljesítmény áramlási irányától. (Kép: Schneider Electric)

Az IEC szerint (a 4. ábrán balról) a teljesítménytényező előjele kizárólag a hatásos teljesítmény áramlási irányától függ, függetlenül attól, hogy a terhelés induktív vagy kapacitív. Az IEEE szerint (a 4. ábrán jobbról) a teljesítménytényező előjele kizárólag a terhelés jellegétől függ (vagyis, hogy az kapacitív vagy induktív-e). Ebben az esetben az teljesen független a hatásos teljesítmény áramlási irányától. Induktív terhelés esetén a teljesítménytényező előjele negatív. Kapacitív terhelés esetén a teljesítménytényező előjele pozitív.

A teljesítménytényezőre vonatkozó szabványok

Az EU és más szabályozó hatóságok a harmonikusokra vonatkozó határértékeket szabtak meg a teljesítménytényező javítására. Az IEC 61000-3-2 szabványon alapuló jelenlegi EN61000-3-2 EU-szabványnak való megfeleléshez minden 75 wattnál nagyobb kimenő teljesítményű kapcsoló üzemmódú tápegységnek rendelkeznie kell teljesítménytényező javító elemmel. Az EnergyStar szerinti 80 PLUS minősítéshez 100% névleges kimenő teljesítmény mellett 0,9 vagy annál nagyobb teljesítménytényező szükséges, és kötelezően aktív teljesítménytényező-korrekció alkalmazására van szükség. Az IEC szabvány legújabb kiadása ezen cikk írása idején: IEC 61000-3-2:2018, “Elektromágneses összeférhetőség (EMC). 3-2. rész: Határértékek. A harmonikus áramok kibocsátási határértékei (fázisonként legfeljebb 16 A bemenőáramú berendezésekre)).”

A nem szabályozott kapcsolóüzemű áramátalakítók nem felelnek meg a teljesítménytényező-javításra vonatkozó jelenlegi szabványoknak. Az egyik szempont, amely befolyásolja a teljesítménytényezőt az, hogy a használt bemeneti váltóáramú áramforrás egyfázisú vagy háromfázisú-e. Az egyfázisú, nem szabályozott kapcsolóüzemű tápegységek teljesítménytényezőjének értéke általában körülbelül 0,65–0,75 (az előjelre vonatkozólag a fent leírt IEEE által alkalmazott konvenciónak megfelelően). Ez azért van, mert a legtöbb egység egyenirányítót vagy kondenzátort tartalmazó előfeldolgozó áramkört használ a DC busz feszültség előállításához. Ilyen konfiguráció esetén az áramkör csupán vonalfeszültség-ciklusok csúcsértékein vesz fel áramot, így keskeny, magas áramimpulzusok jönnek létre, ami rossz teljesítménytényezőt eredményez (lásd a fenti 3. ábrát).

A háromfázisú, nem szabályozott kapcsolóüzemű áramátalakítóknál a teljesítménytényező értéke magasabb, gyakran megközelíti a 0,85-öt (szintén az IEEE szerinti konvenciót alkalmazva a teljesítménytényező előjelének meghatározásakor). Ez azért van, mert habár a DC busz feszültsége szintén egyenirányító vagy kondenzátor segítségével van előállítva, a három fázis additív hatása miatt a teljesítménytényező összegzett értéke magasabb. Sem az egy-, sem a háromfázisú kapcsolóüzemű áramátalakítók nem képesek megfelelni a teljesítménytényezőre vonatkozó jelenlegi előírásoknak aktív teljesítménytényező-javító áramkör alkalmazása nélkül.

Aktív teljesítménytényező javítás (PFC) széles tiltott sávú félvezetőkkel és digitális vezérléssel

A digitális vezérlési módszerek és a széles tiltott sávú teljesítményelektronikai félvezető anyagok (köztük a GaN és az SiC) alkalmazása új lehetőségeket kínál a tervezőknek az olyan aktív PFC áramkörök megtervezéséhez, amelyek hatásfoka és teljesítménysűrűsége nagyobb az analóg vezérlésre vagy passzív teljesítménytényező-javításra épülő aktív PFC áramkörökhöz képest.

A teljesítménytényező-korrekció maximalizálása érdekében a tervezők az analóg vezérlőket korszerű digitális módszerekre cserélhetik, vagy pedig további digitális vezérlőelemekkel (beleértve a mikrovezérlőket is) egészíthetik ki az analóg vezérlést. Bizonyos esetekben a széles tiltott sávú félvezető anyagok felhasználhatók a teljesítménytényező-korrekciós képesség javítására.

Az alkatrészárak csökkenése két különböző teljesítménytényező-javítási módszer gyors kialakulását vonta maga után: az ellenütemű és a híd nélküli kialakításokat. Mindkét módszer alkalmazása különböző előnyökkel jár:

• Az ellenütemű teljesítménytényező-javítás előnyei:
  • Nagyobb hatásfok
  • Javított hőelosztás
  • Csökkentett effektív áram a PFC-fokozaton keresztül
  • Modularitás
• A híd nélküli teljesítménytényező-javítás előnyei:
  • Nagyobb hatásfok
  • Felére csökkenti a bemeneti egyenirányítási veszteségeket
  • Javított hőelosztás
  • Nagyobb teljesítménysűrűség

Analóg és a digitális vezérlés ötvözése egy háromcsatornás, ellenütemű teljesítménytényező javító vezérlő áramkörben

Az STMicroelectronics STNRGPF01 vezérlője egy konfigurálható ASIC, amelyben a digitális és az analóg vezérlés van ötvözve, és amely akár három csatornát képes vezérelni egy ellenütemű PFC-áramkörben (5. ábra). Az eszköz állandó frekvencián, átlagáram vezérléssel, folyamatos vezetési módban (CCM) működik, és kevert jelű (analóg/digitális) vezérlést valósít meg. Az analóg belső áramhurok hardveresen van megvalósítva, biztosítva a ciklikus szabályozást. A külső feszültséghurok szabályozását egy gyors, dinamikusan reagáló digitális arányos-integráló (PI) tag végzi.

5. ábra Az STNRGPF01 funkcionális blokkvázlatán a belső analóg (piros) és a külső digitális (zöld) vezérlőrészek láthatók egy háromfázisú, ellenütemű teljesítménytényező-javító áramkörben. (Kép: STMicroelectronics)

Az STNRGPF01-nél alkalmazott egy-egy kapcsolási ciklusnak a kihagyása (phase shedding) egy rugalmas stratégia, amely lehetővé teszi, hogy mindig a tényleges terhelési állapotnak megfelelő számú PFC-csatorna legyen aktív. Ezzel a funkcióval az STNRGPF01 széleskörű terhelőáram-követelmények mellet is mindig garantálni tudja a legjobb energiahatékonyságot.

A vezérlővel számos funkció van megvalósítva: bekapcsolási túláram korlátozás, lágyindítás, hűtésszabályozás szakaszos üzemmódban és állapotjelzés. Ezenkívül teljeskörű beágyazott védelmi funkciókat tartalmaz, túlfeszültség, túláram és hőhibák ellen.

Az STMicroelectronics az STNRGPF01-re épülő 3 kW teljesítményű STEVAL-IPFC01V1 PFC-tápszabályozó fejlesztőlapot kínálja ahhoz, hogy segítse a tervezőket az elindulásban (6. ábra). Jellemzői és specifikációi a következők:

• Bemenő feszültség: 90–265 V_AC
• Hálózati frekvencia: 47–63 Hz
• Maximális kimenő teljesítmény: 3 kW / 230 V
• Kimeneti feszültség: 400 V
• Teljesítménytényező (PF): > 0,98, 20%-os terhelésnél
• Teljes harmonikus torzítás: < 5%, 20%-os terhelésnél
• Kevert jelű vezérlés
• Kapcsolási frekvencia: 111 kHz
• Ciklikus szabályozás (analóg áramszabályozási-hurok)
• Pozitívan visszacsatolt bemeneti feszültség és terhelés
• Kihagyható kapcsolási ciklusok (phase shedding)
• Burst-mode működés

6. ábra A STEVAL-IPFC01V1 blokkvázlata a következő elemekkel: 1. I/O-mérő jelek; 2. Analóg áramkör; 3. Teljesítményfokozat; 4. Egy STNRGPF01-t tartalmazó digitális vezérlő rész; egy háromfázisú ellenütemű teljesítménytényező-javító áramkörben. (Kép: STMicroelectronics)

Az STNRGPF01 kevert jelrendszeres vezérlőn kívül ez a fejlesztőlap STW40N60M2 típusú N-csatornás, 600 V-os, 34 A-es, alacsony Qg-értékű szilícium alapú teljesítmény MOSFET-eket és PM8834TR típusú kapumeghajtó IC-ket is tartalmaz.

Híd nélküli totemoszlop-kapcsolású teljesítménytényező javító áramkör GaN FET-ekkel

A híd nélküli teljesítménytényező-javító topológiákat arra fejlesztettek ki, hogy kiküszöböljék a diódahidas-egyenirányítás alkalmazásával járó feszültségeséseket és a kevésbé hatékony működést. A híd nélküli totemoszlop-kapcsolású PFC-áramkörök megvalósítását a széles tiltott sávú teljesítményelektronikai félvezető anyagok, például a GaN és a SiC megjelenése tette lehetővé (7. ábra). Egy hagyományos totemoszlop-kapcsolásban (a) két GaN FET-et és két diódát használnak a hálózati feszültség egyenirányítására. A módosított híd nélküli totemoszlop-kapcsolású változatban (b) a diódákat két alacsony ellenállású szilícium MOSFET váltja fel, a diódákon fellépő áram és feszültségesések elkerülésével javítva a hatékonyságot.

7. ábra Két GaN FET és két dióda alkalmazása a hálózati feszültség egyenirányítására egy hagyományos totemoszlop-kapcsolásban (a); egy módosított áramkörben (b) a diódákat két alacsony ellenállású szilícium MOSFET váltja fel, hogy a híd nélküli totemoszlop-kapcsolású áramkör hatékonyságának javítása érdekében ne legyenek jelen a diódákon fellépő áram és feszültségesések. (Kép: Transphorm)

A híd nélküli totemoszlop-kapcsolás azért egy gyakorlatias megoldás, mert a GaN technológiás nagy elektronmobilitású tranzisztoroknál (HEMT-knél) a fordított visszanyerésű töltés (Qrr) értéke lényegesen kisebb a szilícium MOSFET-ekéhez képest. (8. ábra). Ennél az egyszerűsített, folyamatos vezetési módban működő totemoszlop-kapcsolású PFC-áramkörnél a fókusz az áramvezetési veszteségek minimalizálásán van.

8. ábra Egy folyamatos vezetési módban működő totemoszlop-kapcsolású PFC-áramkör egyszerűsített kapcsolási rajza, amely tartalmaz kettő magas impulzusszélesség-modulált frekvencián működő, boost konverter szerepet betöltő gyorskapcsolású GaN HEMT-et (Q1 és Q2), valamint kettő sokkal alacsonyabb hálózati frekvencián (50/60 Hz) működő nagyon kis ellenállású MOSFET-et (S1 és S2). (Kép: Transphorm)

Az áramkör két gyorskapcsolású GaN HEMT tranzisztort (Q1 és Q2) és két nagyon kis ellenállású MOSFET-et (S1 és S2) tartalmaz. A Q1 és Q2 magas impulzusszélesség-modulált frekvencián működik, és feszültségnövelő átalakító (boost konverter) szerepük van. Az S1 és S2 sokkal alacsonyabb hálózati frekvencián (50/60 Hz) működnek, és szinkron egyenirányító szerepük van. Az elsődleges áramút tartalmaz egy gyorsműködésű és egy lomha kapcsolót, diódán létrejövő feszültségesés nélkül. Az S1-nek és S2-nek szinkron egyenirányító szerepe van, amint az a 8 (b) és a 8 (c) ábrákon látható. A váltakozó áram pozitív ciklusában az S1 be, míg az S2 ki van kapcsolva, a váltóáramú feszültséggenerátornak a negatív kapocsra kötött nullavezetékét azonos potenciálra kényszerítve az egyenáramú kimenettel. Ennek az ellenkezője érvényes a negatív ciklus esetén.

A folyamatos vezetési módban való működés biztosításához az alárendelt tranzisztor belső diódájának feszültséghullám csökkentő (flyback) diódaként kell működnie ahhoz, hogy a tekercs árama holt idő alatt áramoljon. A vezérlő tranzisztor bekapcsolásakor azonban a diódaáramnak gyorsan nullára kell csökkennie, és záró irányba kell átkapcsolnia. Ez egy kritikus folyamat a totemoszlop-kapcsolású PFC-áramköröknél, amelyeknél a nagyfeszültségű Si MOSFET-ek belső diódájának magas Qrr értéke rendellenes tüskéket és instabilitást okoz az ezekkel együtt járó magas kapcsolási veszteségekkel. A GaN kapcsolók alacsony Qrr értéke lehetővé teszi a tervezők számára, hogy ezt a problémát kikerüljék.

A tervezők az áramkör működését a Transphorm 4 kW-os TDTTP4000W066C híd nélküli totemoszlop-kapcsolású PFC-áramköri fejlesztőlap használatával tanulmányozhatják, ahol vezérlőként a Microchip Technology MA330048 dsPIC33CK256MP506 digitális beépülő modulja (PIM) van felhasználva. A nagyon nagy hatásfokú egyfázisú konverzió a Transphorm Gen IV (SuperGaN) TP65H035G4WS GaN technológiás FET-ek segítségével van megvalósítva. A Transphorm GaN FET-eknek az áramkör gyorskapcsolású ágában, míg az alacsony ellenállású MOSFET-eknek az áramkör lomha ágában történő alkalmazása jobb teljesítményt és nagyobb hatásfokot eredményez.

Szilícium-FET-ek és SiC-FET-ek kombinálása kétirányú totemoszlop-kapcsolású PFC-áramkörben

A villamos hálózattal kommunikálni képes akkumulátoros elektromos járművek (BEV-ek) és az akkumulátoros energiatároló rendszerek tervezői számára az Infineon kínálatában megtalálható az EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 fejlesztőlap, amely egy 3300 W-os, híd nélküli totemoszlop-kapcsolású PFC-áramkör, kétirányú teljesítményátviteli képességgel (9. ábra). Ennek a híd nélküli totemoszlop-kapcsolású teljesítménytényező javító PFC kártyának a teljesítménysűrűsége 1180 W/cm3. Az EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 kártyán megvalósított, folytonos áramvezetési üzemmódban működő totemoszlopos kapcsolás egyaránt működik egyenirányító és invertáló üzemmódban, és teljes mértékben digitálisan vezérelhető az Infineon XMC1000 sorozatú mikrovezérlőjével.

9. ábra A 3300 W-os EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 totemoszlop-kapcsolású PFC-áramköri fejlesztőlap blokkvázlatán az 1180 W/cm3 teljesítménysűrűséget szolgáltató topológia látható. (Kép: Infineon Technologies)

Ebben a totemoszlop-kapcsolású PFC-áramkörben Infineon gyártmányú 64 mΩ-os, 650 V-os, IMZA65R048M1 típusú CoolSiC SiC MOSFET-ek és 17 mΩ-os, 600 V-os, IMZA65R048M1 típusú CoolMOS C7 szilícium alapú teljesítmény MOSFET-ek kombinációja van alkalmazva. Folytonos áramvezetési üzemmódban az átalakító kizárólag magas hálózati feszültséggel (legalább 176 V effektív, névlegesen 230 V effektív) működik, 65 kHz kapcsolási frekvenciával, és fél terhelésen 99%-os hatásfokot produkál. Ebben a 3300 W-os híd nélküli kétirányú (egyenirányító/AC-DC és invertáló/AC-DC) totemoszlop-kapcsolású megoldásban használt további Infineon komponensek a következők:

• 2EDF7275FXUMA1 típusú izolált kapumeghajtók
• ICE5QSAGXUMA1 QR flyback vezérlő egy 950 V-os CoolMOS P7 IPU95R3K7P7 MOSFET-tel az előfeszítő segédtáphoz
• XMC1404 mikrovezérlő a teljesítménytényező-javítás megvalósításához

Összegzés

Alacsony teljesítménytényező esetén az áramkör a hatékonyság rovására meddő teljesítménnyel terheli a villamos közhálózatot és az áramátalakítókat, ami a különféle váltakozó árammal táplált hálózati berendezéseknél szükségessé teszi a teljesítménytényező javítását olyannyira, hogy bizonyos típusú elektronikus eszközökre vonatkozólag előírások szabják meg a teljesítménytényező minimális értékét. Ezeknek a szabályozási követelményeknek való megfelelés, valamint az egyre kisebb méretformátum és nagyobb teljesítmény iránti igény miatt a tervezőknek az egyszerű és olcsó passzív teljesítménytényező-korrekciós módszerek helyett más megoldásokra van szükségük.

Amint azt bemutattuk, a tervezők digitális vezérlési módszerek és széles tiltott sávú félvezető anyagok (például SiC és GaN) alkalmazásával a passzív megoldások helyett aktív PFC-áramköröket hozhatnak létre, kompaktabb kialakítások mellett is növelve a teljesítménytényező értékét.

Ajánlott olvasnivaló

1. Nagy hatásfokú ellenütemű teljesítménytényező-korrekciós megoldások
2. Használjon SiC-alapú MOSFET-eket az energiaátalakítás hatékonyságának javításához