解析数字PFC控制器对电源的重要性

电子工程世界 · 电子工程世界·2019-04-15 19:07

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摘要:

功率因数校正(PFC)是缓解电能质量问题的关键,因为更多的无功源将连接到电网中。本文介绍功率因数对电源效率的影响,在交流系统中, 数字PFC控制器通过对电感器电流的检测,如何以低损失来进行合适的功率因数改善。

低功率因数通常意味着较差的输入电流质量和较低的效率,这会给供应商、消费者带来成本负担。在交流系统中,低功率因数通常来自输入电流波形的失真,这就是为什么一些国际电气标准对电流中的谐波含量有严格的限制,以及为什么在某些情况下,有源 [1] 或无源功率因数校正几乎是强制性的。

理想交流系统的功率因数

在正弦交流系统中,功率因数是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系,也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。其中包括由负载产生的电场和磁场产生的无功阻抗引起的有功功率和无功功率。无功阻抗使电流波形滞后电压波形,称为相移角,因此我们可以将功率因数表示为电压波形与电流波形相移角的余弦值,得出当电流波形与电压波形相移角趋近于零时,功率因数接近1的最大值。

实际交流系统中的谐波失真

在实际交流电源中,输入电流通常是一个包含多个谐波分量的复杂信号,当主谐波或基波 [2] (与电路电压同相)提供真实功率时,其他谐波则携带大量不可用的能量。

因此,在实际系统中,功率因数由畸变因数推导而来,畸变因数是基于基元上所有附加谐波之和,或总谐波畸变率 (THD)。因此,PFC变换器的作用是被动地调整或主动地重建输入的交流波形,使其在相位和形状上与电压信号更紧密地对准,并且尽量避免不必要的谐波。

PFC转换器在如今交流系统的作用

功率因数校正是基于开关器件(MOSFET、IGBTs等),通过快速切换PFC电感电流来形成输入平均电流波形。PFC控制器通过比较电路反馈和参考信号来确定开关器件的开断时间,从而对相应的PFC电感进行充放电。通过PFC电感器的瞬时电流的振荡,在平均电感电流上产生较小的净增减,PFC控制器控制这些电流,以产生所需的正弦波形。

交叉功率因数校正方案

在高功率应用中,将PFC级别划分为两个或多级并行PFC电路通常是最好的,这个过程称为交错。虽然交错增加了电路组件的数量,但每个通道中较低的电流和开关频率可以更好地进行总功率和热量管理,提高了效率,而且由于所需的电感器要小得多,实际上可以降低成本。

由于PFC控制器能够产生单独的PWM输出,从而驱动各个相位通道,因此可以进行重构。这些控制器上的固件将始终包括切相逻辑,以限制在电源需求相对较低时使用的通道数量。

先进的数字PFC控制器在交流系统的应用

随着现代转换器的数字PFC控制器不断发展,嵌入式功能不断增加,取代了复杂的模拟电路,从而具有了更大的灵活性和工作范围。另一个关键的优点在于驻留在这些控制器上的可编程和可配置的固件,这为解决方案设计人员提供了实现他们自己的逻辑算法,并设置特定于应用程序的参数从而使转换器与特定的设计需求保持一致。

 

STNRGPF01和STNRGPF12 3通道和2通道交错式CCM PFC数字控制器

新型STNRGPF01能够从任何标准的国际输入电源电压管理高达3千瓦的负载。该控制器实现了全面供电和负载监控,高响应性能和安全管理,并实现了3通道交叉,显著提高了变换器的整体效率,降低了主电感的成本和尺寸,而在大功率应用中,主电感的成本和尺寸可能相当昂贵。另一个产品系—STNRGPF12可以通过双通道交叉管理高达2千瓦的负载,并具有数字冲击电流控制,在电流尖峰可能损坏电路元件时,可以更好地管理启动阶段。

STMicroelectronics STEVAL-IPFC01V1 PFC套件基于STNRGPF01数字控制器,包含单独的电源板、控制板和适配器板。STNRGPF01是一款数字可配置的ASIC,在交错PFC中最多驱动三个通道,适合用于工业应用。STNRGPF01设计满足IEC 61000-3-2电气设备标准。

事实上,STEVAL-IPFC01V1和最新的STEVAL-IPFC12V1都采用了模拟传感元件和比较器,这些元件可以将瞬时波形信息直接反馈到STNRG数字控制器中,从而实现逐周期的电流调节,即使在开关电路的极高频率下也能做到。

最后,ST还提供了一个名为eDesignSuite的优秀设计工具,其中包括一个针对PFC转换器的部分,可以真正帮助工程师在设计阶段提高工作效率。该软件不仅能够开发一个完整的解决方案,根据您的设计参数与材料清单和示意图,也可以生成定制固件,并上传到你的STNRG数字PFC控制器,以满足特定应用程序的要求。

电子工程世界 · 电子工程世界·2019-04-15 19:07

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