Корректор коэффициента мощности своими руками

Рекомендуем ознакомиться с предыдущими статьями:

• Структурная схема инверторного кондиционера
• Схема фильтра инверторного кондиционера

После входного помехоподавляющего фильтра идёт выпрямитель, обычно совмещённый с корректором коэффициента мощности. 

Выпрямитель и корректор коэффициента мощности

Для питания инверторного модуля необходим постоянный ток. Для выпрямления переменного тока в постоянный используются полупроводниковые диоды включённые по мостовой схеме (иногда другой). Также используются готовые диодные мосты, выполненные в едином корпусе.

Коэффициент мощности — характеристика потребителя электроэнергии, которая показывает насколько больше мощность потребления от сети по сравнению с активной мощностью самого прибора. Для активной нагрузки (например, лампа накаливания, тепловые электроприборы) коэффициент равен 1.

Поэтому во всех инверторных кондиционерах применяют корректоры КМ, рассмотрим наиболее часто применяемые схемы.

Схема пассивного ККМ:

После выпрямительного моста установлен дроссель L1, который корректирует КМ.

Такая схема обеспечивает невысокий коэффициент — 0,7 — 0,85 , в зависимости от нагрузки и имеет существенный недостаток — выбросы напряжения при изменении нагрузки, поэтому конденсаторы должны быть с увеличенным рабочим напряжением.

Пассивные корректоры использовались в очень старых моделях кондиционеров (теперь они не соответствуют ни европейским, ни японским стандартам), также используются и сейчас в дешёвых китайских инверторах.

Схемы активных ККМ

Активные корректоры имеют в своей схеме активные компоненты — транзисторы, работающие в ключевом режиме, управляемые специализированными микросхемами.

Кстати, данная схема в немного видоизменённом виде наиболее часто используется в кондиционерах Daikin малой и средней мощности.

В разных сериях кондиционеров, и у разных производителей используются различные схемы и элементы. Например, транзистор может быть полевым или биполярным с изолированным затвором (IGBT).

• На плате это выглядит так:
• 
• Встречаются также схемы с двумя дросселями, обычно это кондиционеры мощностью более 5 кВт (потребляемой, а не холодильной), при этом используются и два транзистора, что видно на скриншоте схемы из сервис-мануала:
•  
• Также, сейчас выпускается большое количество уже готовых модулей ККМ — все силовые активные элементы, а также управляющие и драйверные микросхемы находятся внутри:

На деталях видны белые следы термопасты — так как все активные элементы при работе греются, для них необходим теплоотвод, обычно это алюминиевый радиатор, который крепится на эти элементы, а термопаста необходима для хорошего теплового контакта.

Трёхфазные выпрямители

Выше мы рассмотрели схемы с однофазным питанием, более мощные установки питаются трёхфазным напряжением.

Трёхфазное напряжение выпрямляется и сглаживается конденсаторами и далее схема не отличается от однофазной.

Очень часто используют модули в которых расположены сразу все силовые детали — выпрямитель, ККМ и IPM.

Источник: https://MasterXoloda.ru/invertornye-konditsionery/shema-invertornogo-kondicionera-vypryamitel-i-kkm

Схемотехника однофазных корректоров коэффициента мощности

Включение в сеть переменного тока нелинейных нагрузок, например, светильников с газоразрядными лампами, управляемых электродвигателей, источников электропитания с емкостным фильтром и т.д.

приводит к тому, что потребляемый этими устройствами ток имеет импульсный характер с высоким процентом содержания высоких гармоник, из-за которых могут возникать проблемы электромагнитной совместимости при работе различного оборудования.

Коэффициент мощности при этом не превышает 0,7.

Стандартом VDE0712 были введены требования к потребителям электрической энергии по гармоническим составляющим потребляемого тока и коэффициенту мощности [1]. Стоит отметить, что нормы распространялись только на осветительное оборудование мощностью более 25Вт.

В 1982 году европейским стандартом IEC555 были введены более жесткие ограничения, и действие стандарта распространилось также и на системы электропитания мощностью более 165 Вт [2].

В настоящее время стандарт МЭК IEC 1000-3-2 определяет нормы по гармоническим составляющим потребляемого тока и коэффициенту мощности для систем электропитания мощностью более 50 Вт и всех типов осветительного оборудования [3].

Постепенное ужесточение требований к потребителям электрической энергии вызвало необходимость принятия специальных мер и подтолкнуло разработчиков оборудования к проработке различных вариантов схем, обеспечивающих повышение коэффициента мощности.

В 80-х годах прошлого века за рубежом активно начали использоваться микросхемы разных фирм производителей, которые позволили создать простые корректоры коэффициента мощности для выпрямительных устройств и электронных балластов.

В Советском Союзе, а позднее и в Российской Федерации подобных ограничений к потребителям электроэнергии не вводилось. Возможно, по этой причине, вопросам повышения коэффициента мощности не уделялось достаточного внимания в технической литературе, а элементная база для схем коррекции, например – микросхемы управления, уступали зарубежным аналогам. В последние годы ситуация несколько изменилась, во многом благодаря наличию импортных электронных компонентов, применение которых позволяет создавать схемы активных корректоров надежных в работе и недорогих по стоимости.

Как правило, на входе источника питания или электронного балласта установлен мостовой выпрямитель и фильтрующий конденсатор. Как видно на рис. 1в, ток из сети потребляется во время t1-t2, когда выпрямленное напряжение сети превышает напряжение на конденсаторе.

Увеличение мощности нагрузки приводит к возрастанию пульсации на конденсаторе фильтра, которая для электролитических конденсаторов не должна превышать допустимых значений, как правило, несколько вольт.

• Рис.1 Однофазный выпрямитель со сглаживающей емкостью (а),
  с L-C фильтром (б);
  форма напряжения и тока (в):
• 
  1 – напряжение на емкости, 2 – выпрямленное напряжение, 3 – ток нагрузки.

Использование LC-фильтра для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, как показано на рис. 1б, можно назвать методом пассивной коррекции коэффициента мощности. Форма входного тока зависит от величины индуктивности дросселя и ёмкости конденсатора фильтра.

Так как частота питающей сети 50Гц элементы фильтра будут иметь большие размеры, что ухудшает массо-габаритные показатели устройства. Коэффициент мощности при этом находится в пределах 0,7 – 0,85.

Необходимо заметить, что применение индуктивности приводит к перенапряжениям, возникающим на выходной ёмкости и на дросселе фильтра при скачкообразных изменениях тока нагрузки.

Методы активной коррекции коэффициента мощности можно условно разделить по частоте преобразования на низкочастотный и на высокочастотный [5,6].

На рис. 2а представлена схема низкочастотного корректора коэффициента мощности (ККМ), работающего на частоте 100Гц. Принцип работы заключается в следующем. При положительной полуволне в момент перехода сетевого напряжения через ноль открывается на 1-2 мс транзистор VT1, ток протекает через обмотку дросселя и диоды VD3, VD8.

При выключении транзистора VT1 энергия, накопленная в дросселе, передается в конденсатор фильтра и нагрузку через диоды VD1, VD6. При отрицательной полуволне процесс повторяется, только токи проходят через другие пары диодов. В качестве нагрузки подключается DC-DC преобразователь, который обеспечивает нужное напряжение.

Достоинствами представленной схемы являются низкие потери, возможность использования низкочастотных компонентов, обладающих высокой надежностью и низкой стоимостью. К недостаткам можно отнести большие габариты и массу.

Рис.2. Низкочастотный ККМ (а), форма напряжения и тока (б):
1 – напряжение сети, 2 – ток, потребляемый из сети.

Для уменьшения размеров элементов фильтра необходимо увеличить частоту преобразования.

В большинстве случаев буферные устройства, включенные между сетевым выпрямителем и выходным преобразователем, работающие на частоте от 20 до 100кГц и формирующие синусоидальный входной ток, выполнены по схеме повышающего преобразователя, представленной на рисунке 3а. Необходимо заметить, что в технической литературе приводились примеры разных вариантов включения дросселя и силовых ключей, некоторые из которых представлены на рис. 3 а-г.

Рис.3 Варианты схемного исполнения высокочастотных ККМ.

Схема на рис.3а – классический вариант высокочастотного ККМ на основе повышающего преобразователя, с дросселем L1, включенным после выпрямителя.

Схемы на рис.3 б-г содержат дроссель L1, включенный в цепь переменного тока 50 Гц до выпрямителя. Схема на рис.3б является разновидностью схемы на рис.2а и отличается не только высокочастотным способом управления, но и совмещенными силовыми диодами выпрямителей цепей нагрузки и силового транзистора ККМ.

Схема на рис.3в отличается от схемы 3б меньшим количеством силовых диодов за счет использования двух силовых транзисторов ККМ, поочередно работающих на каждом полупериоде сетевого напряжения. Схема на рис.3г – аналог по алгоритму работы схеме 3а, однако имеет дроссель, вынесенный в цепь переменного тока.

Методы управления силовыми транзисторами в представленных схемах могут быть различными. Например, для формирования кривой входного тока можно использовать датчик тока дросселя и датчик выпрямленного сетевого напряжения. Силовой транзистор открывается при нуле тока дросселя, а закрывается при равенстве выходных сигналов датчика тока и датчика напряжения.

Форма тока в каждом цикле (рис.4а) имеет треугольную форму, а его среднее значение пропорционально среднему выпрямленному напряжению.

Частота переключения силового транзистора в данном случае изменяется в зависимости от тока нагрузки и сетевого напряжения, что делает невозможным синхронизацию работы корректора коэффициента мощности (ККМ) и DC-DC преобразователя, подключенного на его выходе.

Для устранения зависимости выходного напряжения от тока нагрузки в схему вводят узел умножителя сигналов с датчиков входного и выходного напряжения.

Рассмотренный метод управления транзисторами ключа может быть довольно просто реализован с помощью существующих контроллеров, например TDA4862.

Данная микросхема довольно широко применялась для коррекции коэффициента мощности в схемах электронных балластов и блоках питания мощностью до 100 Вт.

В настоящее время существует большое семейство микросхем управления для построения схем корректоров, работающих на постоянной частоте [7,8]. Для формирования кривой входного тока в этом случае используется более сложная структура. Форма тока, потребляемая из сети, представлена на рис. 4б.

а)	б)

1. Рис.4 Формы напряжения и тока в высокочастотных ККМ:
   а) с переменной частотой коммутации,
2. 
   б) с постоянной частотой коммутации.

В структурах однофазных источников бесперебойного питания переменного тока (UPS) широкое применение нашла полумостовая схема инвертора, содержащая в качестве одного из плечей два последовательно включенных конденсатора. Напряжение на каждом конденсаторе поддерживается стабильным в пределах ±400 В за счет высокочастотного ШИМ управления силового транзистора ККМ с постоянной частотой коммутации 10…20 кГц.

На рис.5 приведены схемы высокочастотных ККМ с дифференциальным выходом. Схема на рис.5а содержит один дроссель L1 и один силовой транзистор VT1 и используется в UPS с двойным преобразованием энергии мощностью до 2 – 3 кВА.

При мощностях более 3 кВА в качестве ККМ используются два однотактные повышающие преобразователи (бустеры) на силовых транзисторах VT1, VT2 (рис.5б).

Такая схема содержит два дросселя L1, L2 , однако за счет снижения количества силовых диодов снижаются потери мощности в ККМ.

• Рис. 5 ККМ с дифференциальным выходом:
  с одним дросселем (а),
• 
  с двумя дросселями (б).

Многие фирмы (Micro Linear, UNITRODE и другие) выпускают руководства по применению, включающие методики для расчета схем корректоров коэффициента мощности для конкретных микросхем, рекомендации по выбору компонентов и особенностям их использования.

На российском рынке появляются новые контроллеры, позволяющие создавать более надежные и дешевые источники питания с высоким коэффициентом мощности.

В качестве примера можно привести микросхемы, объединяющие в одном корпусе корректор и ШИМ-контроллер для получения законченного источника питания, микросхемы, управляющие силовыми транзисторами корректора и обеспечивающие “мягкое” переключение последних, что позволяет увеличить частоту преобразования до сотен килогерц [8]. Более подробный обзор существующих контроллеров заслуживает отдельного рассмотрения.

Климов В.П., Федосеев В.И.

Литература

1. DIN VDE 0712 / Specification for accessories to hot and cold-cathode fluorescent lamps with rate voltages up to 1000 V – General requirements.
2. IEC 555 / Disturbances caused by harmonic currents in electrical equipment.
3. IEC 1000-3-2 (1995) (EN 61000-3-2) / Specifies the limits for harmonic currents created by equipment connected to public low-voltage supply systems.
4. Климов В.П., Смирнов В.Н. Коэффициент мощности однофазного бестрансформаторного импульсного источника питания // Практическая силовая электроника, 2002г., вып. 5, стр.21-23.
5. Hunter P. Solve Switcher Problems With Power- Factor Correction // Electronic Design, Febr. 6, 1992. P. 67, 68, 72-74, 76-78.
6. Жданкин В. Коррекция гармоник входного тока в маломощных сетевых источниках питания
   // Современные технологии автоматизации – СТА. 1998, №1. Стр. 110-112.
7. Иванов В., Панфилов Д. Типовые схемы корректоров коэффициента мощности
   // Chip News ( Новости о микросхемах ), 1997г.,№ 9-10, стр. 38-45.
8. Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. Издание 2-е – М.: ДОДЕКА, 2000.- 608с.

Источник: http://elgamma.com.ru/skhemotekhnika-odnofaznyh-korrektorov-koehfficienta-moshchnosti/

Корректоры коэффициента мощности

На сегодняшний день существуют два подхода к построению источников питания, дающих на выходе стабильное выходное напряжение или ток — источники питания с параметрической и с импульсной стабилизацией.

В линейных источниках стабилизация выходного параметра осуществляется за счет нелинейного элемента. Импульсные — работают по принципу управления энергией в катушке индуктивности с помощью одного или нескольких коммутирующих ключей.

Преимущество первых — низкий уровень высокочастотных шумов, что важно для аналоговой аппаратуры. За импульсными источниками — более высокие мощности и лучшее соотношение мощности и размеров.

Кроме того, они имеют более высокий КПД. Вопросы сложности или простоты схемотехники являются весьма спорными, т.к.

современная промышленность предлагает широкий спектр решений, в том числе и однокристальных, для любых приложений.

Но для сети линейные и импульсные источники питания являются нелинейной нагрузкой — форма потребляемого тока будет отличаться от синусоидальной, что приведет к возникновению дополнительных гармоник, а следовательно — к появлению реактивной составляющей мощности, дополнительному нагреву и потерям в линиях электропередач. Кроме того, другим потребителям энергии приходится применять дополнительные меры для защиты от сетевых помех — особенно в случае импульсных блоков высокой мощности, работающих под нагрузкой. Ограничения на допустимые наводки в сети от работающего прибора регламентируются соответствующими международными и государственными стандартами. Можно не сомневается, что российские стандарты в этой области будут ужесточаться и приближаться к мировым. В итоге именно те компании, которые освоят техники снижения сетевых помех, получат значительное преимущество над конкурентами.

Для снижения влияния потребителя тока на сеть применяются активные или пассивные корректоры.

Пассивные корректоры представляют собой дроссели, чаще всего применяемые в устройствах небольшой мощности и некритичные к габаритным размерам.

В остальных случаях целесообразно применение активных высокочастотных корректоров, часто называемых корректорами коэффициента мощности (ККМ или PFC — Power Factor Correction). К основным задачам ККМ можно отнести:

• Придание потребляемому от сети току синусоидальной формы (снижение коэффициента гармоник);
• Ограничение выходной мощности;
• Защиту от короткого замыкания;
• Защиту от пониженного или повышенного напряжений.

Фактически, ККМ можно рассматривать как некий буферный каскад (схему), снижающий взаимное влияние питающей сети и источника питания.

Типовая структура корректора мощности представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Типовая схема корректора коэффициента мощности

ККМ может быть реализован не только на дискретных элементах, но и при помощи специализированных микросхем — контроллеров ККМ (PFC-корректоры). К основным производителям контроллеров корректоров коэффициента мощности относятся:

• STMicroelectronics- L4981, L656x;

• Texas Instruments- UCx854, UC28xx;

• International Rectifier — IR115x;

• ON Semiconductor- MC3x262, MC33368, NCP165x, NCP160x;

• Fairchild Semiconductor- FAN48xx, FAN69x, FAN7527;

• Linear Technology Corporation- LTC1248.

ККМ-контроллеры STMicroelectronics

Компания STMicroelectronics предлагает несколько серий производительных контроллеров ККМ, способных обеспечить различные режимы работы прибора. Дополнительные опции упрощают построение импульсных источников питания, учитывая стандарты энергосбережения и требования к уровню вносимых в питающую сеть искажений.

Таблица 1. Контроллеры корректора коэффициента мощности STMicroelectronics

Микросхема
Корпус
Режим работы
Напряжениепитания, В
Ток потребления, мА активный/стартовый (низкопотребляющий)
Примечание

L4981	PDIP 20; SO-20	ССМ	19,5	12/0,3	Мягкий старт; защита от перенапряжения, перегрузки по току
L6561	DIP-8; SO-8	TM	11…18	4/0,05	Защита от перенапряжения
L6562A	DIP-8; SO-8	TM, Fixed-Off-Time	10,5…22,5	3,5/0,03	Защита от перенапряжения
L6562AT	SO-8	TM, Fixed-Off-Time	10,5…22,5	3,5/0,03	Защита от перенапряжения
L6563H	SO-16	TM, tracking boost	10,3…22,5	5/0,09	Высоковольтный старт; защита от перенапряжения, разрыва обратной связи, насыщения индуктора
L6563S	SO-14	TM, tracking boost	10,3…22,5	5/0,09	Высоковольтный старт; защита от перенапряжения, разрыва обратной связи, насыщения индуктора
L6564	SSOP 10	TM, tracking boost	10,3…22,5	5/0,09	Высоковольтный старт; защита от перенапряжения, разрыва обратной связи, насыщения индуктора

Микросхема контроллера корректора мощности L4981 позволяет построить высокоэффективные блоки питания с синусоидальным током потребления. Коэффициент мощности может достигать величины 0,99 при низком уровне гармоник. Сама микросхема реализована по технологии BCD 60II и работает по принципу контроля среднего тока (CCM), поддерживая синусоидальность потребляемого тока.

L4981 может быть использована в системах с питающими напряжениями 85…265 В без внешнего драйвера силового ключа. Серия «A» для ШИМ-контроллера использует фиксированную частоту; серия «B» для оптимизации входного фильтра дополнительно использует частотную модуляцию.

Также в состав микросхемы входят: прецизионный источник опорного напряжения, усилитель рассогласования, схема блокировки работы при критическом падении напряжения, датчик тока, схема мягкого старта и защита от перенапряжения и перегрузки по току. Уровень срабатывания защиты по току для L4981A задается при помощи внешнего резистора; для повышения точности в серии L4981B используется внешний делитель напряжения.

Ключевые особенности:

• Boost-ШИМ с коэффициентом мощности до 0,99;
• Искажение тока не более 5%;
• Универсальный вход;
• Мощный выходной каскад (биполярные и МОП-транзисторы);
• Защита от просадки напряжения с гистерезисом и программируемым порогом включения;
• Встроенный источник опорного напряжения с точностью 2% (доступен извне);
• Низкий ток запуска (~0,3мА);
• Система мягкого включения.

Серия L6561 является улучшенной версией PFC-контроллера L6560 (полностью с ним совместима). Основные новшества:

• Улучшенный аналоговый умножитель, позволяющий устройству работать в широком диапазоне входных напряжений (от 85 до 265В) с превосходными показателями коэффициента гармоник (THD);
• Стартовый ток уменьшен до нескольких миллиампер (~4мА);
• Добавлен вывод разрешения работы, гарантирующий низкое энергопотребление в режиме ожидания (stand by).

Ключевые возможности, воплощенные в смешанной технологии BCD:

• Ультранизкий стартовый ток (~50мкА);
• 1% встроенный источник опорного напряжения;
• Программируемая защита от перенапряжения;
• Токовый датчик без внешнего фильтра низких частот;
• Малый ток покоя.

Выходной каскад способен управлять силовыми МОП- или IGBT-ключами с токами управления до 400 мА. Микросхема работает в переходном режиме работы корректоров коэффициента мощности — Transition Mode (TM) — промежуточный режим между непрерывным (CCM) и прерывистым (DCM). L6561 оптимизирована для балластных схем питания газоразрядных ламп, сетевых адаптеров, импульсных источников питания.

Контроллер ККМ L6562A/L6562AT также работает в переходном режиме (TM) и совместим повыводно с предшественниками L6561 и L6562.

Его высоколинейный умножитель имеет специальную схему, уменьшающую рассогласование входного переменного тока, что позволяет оперировать в широком диапазоне входных напряжений с низким коэффициентом гармоник при различных нагрузках.

Выходное напряжение контролируется операционным усилителем с высокоточным источником опорного напряжения (до 1% точности).

L6562A/L6562AT в режиме покоя имеет потребление порядка 60 мкА и рабочий ток всего 5 мА. Наличие входа управления включением/выключением облегчает создание конечных устройств, отвечающих требованиям стандартов Blue Angel, EnergyStar, Energy2000 и ряда других.

Выходной каскад способен обеспечить выходной ток до 600 мА и входной до 800 мА, что является достаточным для управления мощными силовыми MOSFETs или IGBT-ключами. В дополнение к указанным выше возможностям L6562A может оперировать в проприетарном режиме фиксированного времени выключения (Fixed-Off-Time) — рисунок 2.

Рис. 2. Временные диаграммы работы ККМ-контроллера в режиме Fixed-Off-Time

Серии ККМ-контроллеров L6563, L6563S, L6563H, L6564 построены по схеме типового корректора коэффициента мощности, работающего в режиме TM с рядом дополнительных возможностей.

L6563, L6563S имеют режим работы Tracking boost, двунаправленный вход упреждения напряжения, вход разрешения работы, прецизионный источник опорного напряжения (точность при 25°С в пределах 1…1,5%).

Кроме того, в микросхему интегрированы: схемы защиты от перенапряжения с настраиваемым порогом, разрыва контура обратной связи (выключение микросхемы), насыщения индуктора (выключение микросхемы); программируемый детектор критического падения переменного напряжения.

Максимальный ток потребления L6563х составляет не более 6 мА в активном режиме, стартовый ток менее 100 мкА.

Микросхема контроллера корректора коэффициента мощности L6562A

Сферы применения ККМ-контроллера включают в себя:

• Импульсные блоки питания, отвечающие требованиям стандартов IEC61000-3-2 (телевизоры, мониторы, компьютеры, игровые консоли);
• AC/DC-преобразователи/зарядные устройства с мощностью до 400 Вт;
• Электронный балласт;
• Входной уровень серверов и веб-серверов.

Ключевыми особенностями L6562A являются:

• Проприетарное решение умножителя;
• Настраиваемые уровни защиты от перенапряжения;
• Ультранизкий стартовый ток- 30мкА;
• Низкий ток покоя- 2,5мА;
• Мощный выходной каскад для управления силовыми ключами- -600,800мА.

Микросхемы выпускаются в компактных восьмивыводных корпусах DIP-8 и SO-8. Структурная схема L6562A показана на рисунке 3.

Рис. 3. Структурная схема ККМ-контроллера L6562A

Инверсный вход усилителя ошибки разделяет функции вывода разрешения работы микросхемы. При напряжении на нем ниже 0,2 В он выключает микросхему, тем самым понижая ее энергопотребление, а при превышении порога в 0,45 В микросхема переходит в активный режим.

Основное назначение данной функции — управление ККМ-контроллером, например, он может управляться следующим за ним ШИМ-контроллером преобразователя напряжения.

Дополнительной возможностью, предоставляемой функцией выключения, является автоматическое отключение в случае замыкания на землю напряжения низкоомного резистора выходного делителя или обрыва цепи делителя.

Выходной сигнал усилителя ошибки поступает на его инверсный вход через компенсирующие цепи обратной связи. Фактически, работа данных цепей определяет стабильность выходного напряжения, высокий коэффициент мощности и низкий уровень гармоник.

После выпрямителя основное питающее напряжение поступает на вход умножителя через делитель напряжения и служит источником опорного синусоидального сигнала для токовой петли.

Напряжение с измерительного резистора в цепи силового ключа поступает на вход компаратора ШИМ, где сравнивается с опорным синусоидальным сигналом для определения момента размыкания ключа. Для снижения влияния импульсных помех аппаратно реализована задержка в 200 нс от фронта импульса. По отрицательному фронту импульса размагничивания индуктора происходит замыкание силового ключа.

Примером схемы включения L6562A может служить повышающий источник напряжения на 400 В (рисунок 4).

Рис. 4. Принципиальная электрическая схема широкодиапазонного сетевого источника питания (оценочная плата EVL6562A-TM-80W)

Вторым примером может служить применение L6562A в составе источника питания для светодиодных светильников (рисунок 5).

Рис. 5. Структурная схема источника питания для светодиодных светильников (отладочная плата EVL6562A-LED)

L6562A имеет специализированную схему, снижающую влияние переходных процессов в районе нулевого переменного входного напряжения, когда диоды в выпрямительном мосту еще закрыты, и ток через мост равен нулю.

Для борьбы с данным эффектом встроенная схема заставляет ККМ-контроллер перекачивать больше энергии в момент пересечения нуля сетевым напряжением (увеличивается промежуток времени нахождения силового ключа в открытом состоянии).

В результате уменьшается промежуток времени, в течение которого потребление энергии (тока) схемой недостаточно, и полностью разряжается фильтрующий конденсатор, стоящий после моста.

Низкое значение опорного напряжения позволяет использовать более низкоомный резистор для измерения тока в цепи силового ключа, соответственно снижается и рассеиваемая на нем мощность (меньше рассеиваемой мощности ® меньше нагрев ® ниже требования к системе охлаждения и вентиляции).

Низкие входные токи динамической защиты от перенапряжения допускают применение высокоомного верхнего резистора в делителе напряжения цепи обратной связи по напряжению без увеличения влияния шума. В итоге снижается ток потребления схемы в режиме ожидания (важно в связи с требованиями стандартов энергосбережения). В таблице 2 приведены основные параметры ККМ-контроллера L6562A.

Таблица 2. Основные эксплуатационные параметры L6562A

Параметр
Значение

Пороги включения/выключения, В	12,5/10
Разброс значений порога выключения (макс), В	± 0,5
Ток микросхемы перед запуском (макс), мкА	60
Усиление умножителя	0,38
Значение опорного напряжения, В	1,08
Время реакции на изменение тока, нс	175
Динамический ток переключения схемы OVP, мкА	27
Пороги детектора нуля, выключения/срабатывания/удержания, В	1,4/0,7/0
Пороги включения/выключения микросхемы, В	0,45/0,2
Падение напряжения на внутреннем драйвере ключа, В	2,2
Задержка относительно фронта импульса в датчике тока, нс	200

• Все это делает L6562A прекрасным недорогим решением для ИБП мощностью до 350 Вт, совместимых с требованиями стандартов EN61000-3-2.
• Варианты применения и методика расчета типовых узлов для схем на основе L6562A/АТ приводятся в руководствах по применению; список основных документов приведен ниже.
• AN3159: STEVAL-ILH005V2: 150 W HID electronic ballast — встраиваемый блок электронного балласта мощностью до 150 Вт.
• AN2761: Solution for designing a transition mode PFC preregulator with the L6562A — примеры построения предварительного регулятора с ККМ в транзитивном режиме на основе L6562A.
• AN2782: Solution for designing a 400 W fixed-off-time controlled PFC preregulator with the L6562A — Пример разработки 400-ваттного предварительного регулятора с ККМ на базе L6552A в режиме фиксированного времени во выключенном состоянии.
• AN2928: Modified buck converter for LED applications — Модифицированный понижающий преобразователь для светодиодного освещения.
• AN3256: Low-cost LED driver for an A19 lamp — Светодиодный драйвер для ламп А19 по низкой цене.
• AN2983: Constant current inverse buck LED driver using L6562A — Светодиодный драйвер постоянного тока на L6562A.

Источник: https://t-31.ru/korrektory-koeffitsienta-moshhnosti/

Корректор коэффициента мощности | Преобразовательная техника | Статьи

Преобразовательная техника

Введение

В последние десятилетия количество электроники, используемой в домашних условиях, в офисах и на производстве, резко увеличилось, и в большинстве устройств применяются импульсные источники питания. Такие источники генерируют гармонические и нелинейные искажения тока, которые отрицательно влияют на проводку электросети и электроприборы, подключенные к ней.

Это влияние выражается не только в разного рода помехах, сказывающихся на работе чувствительных устройств, но и в перегреве нейтральной линии.

При протекании в нагрузках токов со значительными гармоническими составляющими, не совпадающими по фазе с напряжением, ток в нейтральном проводе (который при симметричной нагрузке, практически, равен нулю) может увеличится до критического значения.

Международная электротехническая комиссия (МЭК) и Европейская организация по стандартизации в электротехнике (CENELEC) приняли стандарты IEC555 и EN60555, устанавливающие ограничения на содержание гармоник во входном токе вторичных источников электропитания, электронных нагрузках люминесцентных ламп, драйверах двигателей постоянного тока и аналогичных приборах.

Один из эффективных способов решения этой задачи — применение корректоров коэффициента мощности PFC (Power Factor Correction). На практике это означает, что во входную цепь практически любого электронного устройства с импульсными преобразователями необходимо включать специальную PFC-схему, обеспечивающую снижение или полное подавление гармоник тока.

Коррекция коэффициента мощности

Типичный импульсный источник питания состоит из сетевого выпрямителя, сглаживающего конденсатора и преобразователя напряжения.

Такой источник потребляет мощность только в те моменты, когда напряжение, подаваемое с выпрямителя на сглаживающий конденсатор, выше напряжения на нем (конденсаторе), что происходит в течение примерно четверти периода. В остальное время источник не потребляет мощности из сети, так как нагрузка питается от конденсатора.

Это приводит к тому, что мощность отбирается нагрузкой только на пике напряжения, потребляемый ток имеет форму короткого импульса и содержит набор гармонических составляющих (см. рис. 1).

Вторичный источник питания, имеющий коррекцию коэффициента мощности, потребляет ток с малыми гармоническими искажениями, равномернее отбирает мощность от сети, имеет коэффициент амплитуды (отношение амплитудного значения тока к его среднеквадратичному значению) ниже, чем у некорректированного источника. Коррекция коэффициента мощности снижает среднеквадратическое значение потребляемого тока, что позволяет подключать к одному выводу электросети больше разных устройств, не создавая в ней перегрузок по току (см. рис. 2).

Коэффициент мощности

Коэффициент мощности (Power Factor PF) — параметр, характеризующий искажения, создаваемые нагрузкой (в нашем случае — источником вторичного электропитания) в сети переменного тока. Существует два вида искажений — гармонические и нелинейные.

Гармонические искажения вызываются нагрузкой реактивного характера и представляют собой сдвиг фаз между током и напряжением. Нелинейные искажения вносятся в сеть «нелинейными» нагрузками. Эти искажения выражаются в отклонении формы волны тока или напряжения от синусоиды.

В случае гармонических искажений коэффициентом мощности считается косинус разности фаз между током и напряжением или отношение активной мощности к полной мощности, потребляемой из сети.

Для нелинейных искажений коэффициент мощности равен доле мощности первой гармонической составляющей тока в общей мощности, потребляемой устройством. Его можно считать показателем того, насколько равномерно устройство потребляет мощность от электросети.

В общем случае коэффициент мощности — это произведение косинуса угла разности фаз между напряжением и током на косинус угла между вектором основной гармоники и вектором полного тока. К такому определению приводят рассуждения, приводимые ниже. Действующий ток, протекающий в активной нагрузке, имеет вид:

I2эфф=I 20+I21эфф +SI2nэфф,

где I2nэфф — постоянная составляющая (в случае синусоидального напряжения равна нулю), I21эфф — основная гармоника, а под знаком суммы — младшие гармоники. При работе на реактивную нагрузку в этом выражении появляется реактивная составляющая, и оно принимает вид:

I2эфф=I 20+(I21эфф(P) +I21эфф(Q))+SI 2nэфф. Активная мощность — это среднее за период значение мощности, выделяемой на активной нагрузке. 

Ее можно представить в виде произведения действующего напряжения на активную составляющую тока P=Uэфф Ч I1эфф(P). Физически это энергия, выделяющаяся в виде тепла в единицу времени на активном сопротивлении.

Под реактивной мощностью понимают произведение действующего напряжения на реактивную составляющую тока: Q=Uэфф Ч I1эфф(Q). Физический смысл — это энергия, которая перекачивается два раза за период от генератора к нагрузке и два раза — от нагрузки к генератору.

Полной мощностью называется произведение действующего напряжения на общий действующий ток: S=U эфф Ч Iэфф(общ).

На комплексной плоскости его можно представить как сумму векторов P и Q, откуда видна зависимость I2=I1эфф(общ) cos j, где j — угол между векторами P и Q, который также характеризует разность фаз между током и напряжением в цепи.

Основываясь на вышесказанном, выводим определение для коэффициента мощности:

PF=P/S=(I1эфф cos j)/(Iэфф(общ) ).

Стоит заметить, что отношение (I1эфф)/(Iэфф(общ) ) есть косинус угла между векторами, соответствующими действующему значению общего тока и действующему значению его первой гармоники. Если обозначить этот угол q, то выражение для коэффициента мощности принимает вид: PF=cos j Ч cos q.

Коэффициент мощности выражается в виде десятичной дроби, значение которой лежит в пределах от 0 до 1. Его идеальное значение — единица (для сравнения, типичный импульсный источник питания без коррекции имеет значение коэффициента мощности около 0,65), 0,95 — хорошее значение; 0,9 — удовлетворительное; 0,8 — неудовлетворительное.

Применение коррекции коэффициента мощности может увеличить коэффициент мощности устройства с 0,65 до 0,95. Вполне реальны и значения в пределах 0,97…0,99.

В идеальном случае, когда коэффициент мощности равен единице, устройство потребляет из сети синусоидальный ток с нулевым фазовым сдвигом относительно напряжения (что соответствует полностью активной нагрузке с линейной вольтамперной характеристикой). 

Пассивная коррекция коэффициента мощности

Пассивный метод коррекции чаще всего применяется в недорогих малопотребляющих устройствах (где не предъявляется строгих требований к интенсивности младших гармоник тока). Пассивная коррекция позволяет достичь значения коэффициента мощности около 0,9. Это удобно в случае, когда источник питания уже разработан, остается только создать подходящий фильтр и включить его в схему на входе.

Пассивная коррекция коэффициента мощности состоит в фильтрации потребляемого тока при помощи полосового LC-фильтра. Этот метод имеет несколько ограничений. LC-фильтр может быть эффективен как корректор коэффициента мощности только в случае, если напряжение, частота и нагрузка изменяются в узком интервале значений .

Так как фильтр должен работать в области низких частот (50/60 Гц), его компоненты имеют большие габариты, массу и малую добротность (что не всегда приемлемо).

Во-первых , количество компонентов при пассивном подходе намного меньше и, следовательно — время наработки на отказ больше, и во вторых, при пассивной коррекции создается меньше электромагнитных и контактных помех, чем при активной. 

Активная коррекция коэффициента мощности

Активный корректор коэффициента мощности должен удовлетворять трем условиям:

1) Форма потребляемого тока должна быть как можно ближе к синусоидальной и — «в фазе» с напряжением. Мгновенное значение тока, потребляемого от источника, должно быть пропорционально мгновенному напряжению сети.

2) Отбираемая от источника мощность должна оставаться постоянной даже в случае изменения напряжения сети. Это значит, что при снижении напряжения сети ток нагрузки должен быть увеличен, и наоборот.

3) Напряжение на выходе PFC-корректора не должно зависеть от величины нагрузки. При снижении напряжения на нагрузке должен быть увеличен ток через нее, и наоборот.

Существует несколько схем, при помощи которых можно реализовать активную коррекцию коэффициента мощности. Наиболее популярна в настоящее время «схема преобразователя с повышением» (boost converter). Эта схема удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к современным источникам питания.

Во-первых , она позволяет работать в сетях с различными значениями питающего напряжения (от 85 до 270 В) без ограничений и каких-либо дополнительных регулировок. Во-вторых , она менее восприимчива к отклонениям электрических параметров сети (скачки напряжения или кратковременное его отключение).

Еще одно достоинство этой схемы — более простая реализации защиты от перенапряжений. Упрощенная схема «преобразователя с повышением» приведена на рис. 3.

Принцип работы

Стандартный корректор коэффициента мощности представляет собой AD/DC-преобразователь с широтно-импульсной (PWM) модуляцией. Модулятор управляет мощным (обычно MOSFET) ключом, который преобразует постоянное или выпрямленное сетевое напряжение в последовательность импульсов, после выпрямления которых на выходе получают постоянное напряжение.

Временные диаграммы работы корректора показаны на рис. 4. При включенном MOSFET-ключе ток в дросселе линейно нарастает — при этом диод заперт, а конденсатор С2 разряжается на нагрузку. Затем, когда транзистор запирается, напряжение на дросселе «открывает» диод и накопленная в дросселе энергия заряжает конденсатор С2 (и одновременно питает нагрузку).

В приведенной схеме (в отличие от источника без коррекции) конденсатор С1 имеет малую емкость и служит для фильтрации высокочастотных помех. Частота преобразования составляет 50…100 кГц. В простейшем случае схема работает с постоянным рабочим циклом.

Существуют способы увеличения эффективности коррекции динамическим изменением рабочего цикла (согласованием цикла с огибающей напряжения от сетевого выпрямителя).

Схема «преобразователя с повышением» может работать в трех режимах: непрерывном , дискретном и так называемом «режиме критической проводимости ».

В дискретном режиме в течение каждого периода ток дросселя успевает «упасть» до нуля и через некоторое время снова начинает возрастать, а в непрерывном — ток, не успев достигнуть нуля, снова начинает возрастать. Режим критической проводимости используется реже, чем два предыдущих. Он сложнее в реализации.

Его смысл в том, что MOSFET открывается в тот момент, когда ток дросселя достигает нулевого значения. При работе в этом режиме упрощается регулировка выходного напряжения.

Выбор режима зависит от требуемой выходной мощности источника питания. В устройствах мощностью более 400 Вт используется непрерывный режим, а в маломощных — дискретный. Активная коррекция коэффициента мощности позволяет достичь значений 0,97…0,99 при коэффициенте нелинейных искажений THD (Total Harmonic Distortion) в пределах 0,04…0,08.

Первоисточник: http://www.elcp.ru/index.php?state=izd&i_izd=elcomp&i_num=2000_02&i_art=17

Источник: http://www.spwr.by/stati/korrektor-koeffitsienta-moschnosti.html

Понимание различных методов коррекции коэффициента мощности для AC/DC преобразователей

• Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2012
• Ashok Bindra, Electronic Products
• Digi-Key
• По определению, коэффициент мощности (Power Factor – PF) источника переменного тока – это отношение активной мощности в ваттах, подаваемой в нагрузку, к подводимой к нему кажущейся (полной) мощности, вычисляемой как произведение тока на напряжение. Коэффициент мощности можно представить в виде

Из выражения видно, что коэффициент мощности может принимать значения между 0 и 1. Следовательно, когда ток и напряжение синусоидальны и находятся в фазе, коэффициент мощности равен 1. Однако, если ток и напряжение синусоидальны, но их фазы сдвинуты друг относительно друга, кажущаяся мощность будет больше активной мощности, и в этом случае коэффициент мощности равен косинусу угла сдвига фаз между током и напряжением. Коэффициент мощности, равный 1, – это идеальный случай, когда нагрузка чисто резистивная и линейная. В реальности использующиеся в электронных системах оффлайновые AC/DC источники питания являются импульсными и представляют собой нелинейную нагрузку.

В настоящее время чаще всего используются именно импульсные источники питания, искажающие синусоидальную форму входного тока и напряжения и приводящие к сдвигу фаз между ними. Когда фазы тока и напряжения не совпадают, коэффициент мощности оказывается меньше 1.

Кроме потерь коэффициент мощности меньший единицы вызывает появление гармоник, которые смещают напряжение нейтрали и отрицательно влияют на работу других устройств, подключенных к сети.

Чем меньше коэффициент мощности, тем выше содержание гармоник в сети переменного тока, и наоборот.

Именно по этой причине существуют строгие правила, ограничивающие уровень нелинейных искажений, допускаемых в сетях переменного тока. Например, в Европе был разработан стандарт EN61000-3-2 [1], определяющий допуск по отражению гармоник от электронных устройств обратно в электросеть.

Он применим ко всем электронным системам класса D (компьютеры, ноутбуки, мониторы, радиоприемники и телевизоры), потребляющим более 75 Вт. Класс D – это одна из категорий (A, B, C, D) электронных устройств, установленных стандартом EN61000-3-2, который регламентирует различные допуски по нелинейным искажениям тока для каждого класса.

Этот стандарт в настоящее время принят на международном уровне.

Чтобы удовлетворять требованиям стандартов в отношении уровня нелинейных искажений и поддерживать высокое значение коэффициента мощности, в модулях AC/DC преобразователей, питающих электронные устройства с потреблением более 75 Вт, необходимо использовать коррекцию коэффициента мощности (PFC – power-factor correction). Внедрение корректора позволяет обеспечить высокое значение коэффициента мощности и гарантирует снижение гармоник в сети переменного тока. Существует много схем пассивных и активных корректоров коэффициента мощности (ККМ), доступных для различных топологий входных частей источников питания.

Пассивные корректоры коэффициента мощности

Самым простым способом контроля гармоник тока является использование пассивного фильтра, пропускающего ток только на частоте сети (50 Гц или 60 Гц) [2]. Этот фильтр ослабляет гармонические составляющие тока, и подключенное в сеть нелинейное устройство теперь выглядит более похожим на линейное.

С помощью фильтра, построенного на конденсаторах и индуктивностях, коэффициент мощности может быть доведен до значений, близких к единице. Однако недостаток такого решения – необходимость использования сильноточных катушек и высоковольтных конденсаторов, занимающих много места и весьма дорогих.

Рисунок 1.	Из сопоставления кривых видно, что активный контроллер ККМ в источнике питания значительно превосходит пассивный корректор, с большим запасом перекрывая требования спецификации EN/IEC61000-3-2 по уровню гармоник в сети переменного тока. (Информация предоставлена компанией ON Semiconductor).

На Рисунке 1 демонстрируются входные гармоники для трех различных компьютерных источников питания мощностью 250 Вт на фоне ограничений, накладываемыми спецификациями EN/IEC61000-3-2 для устройств класса D.

Амплитуды гармоник пропорциональны входной мощности этих устройств. Пассивный ККМ обеспечивает соответствие стандарту только по уровню третьей гармоники.

Источник питания со схемой активного ККМ не только отвечает спецификации EN/IEC61000-3-2, но и значительно превосходит ее требования.

Несмотря на простоту схемотехнических решений и использования, схемы пассивных ККМ имеют ряд недостатков. Во-первых, габариты катушки индуктивности накладывают ограничения на их применение во многих приложениях.

Во-вторых, чтобы обеспечить возможность использования устройства в любых странах, потребуется переключатель диапазонов напряжения питания. Это повышает риск выхода прибора из строя вследствие ошибки пользователя при установке переключателя.

Наконец, напряжение питания не регулируется, что сказывается на стоимости и эффективности работы DC/DC преобразователя, установленного после схемы ККМ.

Активные корректоры коэффициента мощности

Помимо хороших характеристик, рост цен на медь и материалы магнитных сердечников, в сочетании с постоянным снижением стоимости полупроводниковых элементов, склоняют чашу весов в пользу активных ККМ, даже для самых чувствительных к стоимости потребительских устройств.

Микросхема ККМ с соответствующими элементами формирует входной ток, повторяющий форму входного напряжения, что позволяет достичь значения коэффициента мощности 0.9 и выше.

Рисунок 2.	Схема активного контроллера ККМ расположена между входным выпрямителем и накопительным конденсатором. (Информация предоставлена компанией ON Semiconductor).

Существуют три основных класса микросхем активных контроллеров ККМ, отличающихся режимом работы:

• режим критической проводимости (Critical-Conduction Mode – CrM),
• режим непрерывной проводимости (Continuous-Conduction Mode – CCM),
• режим прерывистой проводимости (Discontinuous-Conduction Mode – DCM).

Подобные контроллеры предлагаются несколькими производителями, причем каждый использует собственную аргументацию для обоснования целесообразности и области применения той или иной микросхемы.

Схема управления с режимом критической проводимости удерживает ток катушки индуктивности на границе между непрерывной и прерывистой проводимостью. Некоторые производители предпочитают называть такой режим режимом граничной проводимости (Boundary-Conduction Mode – BCM).

Так как форма волны тока в этой схеме всегда известна, известно и соотношение между средним и пиковым током. Компания ON Semiconductor производит разнообразные микросхемы ККМ с управлением по напряжению в режиме критической проводимости для источников питания средней мощности (до 300 Вт).

Одни из последних представителей этой категории приборов – контроллеры MC34262/MC33262.

Еще один изготовитель CrM контроллеров ККМ – компания Fairchild Semiconductor. В одном корпусе ее микросхемы FAN6920MR объединены CrM контроллер ККМ и квазирезонансный контроллер ШИМ. Для коррекции коэффициента мощности в микросхеме используется метод управления временем включения, позволяющий одновременно выполнять функции ККМ и регулировать выходное напряжение.

Вследствие уменьшенного уровня пиковых токов, снижения пульсаций и упрощения фильтрации, режим непрерывной проводимости широко используется во многих приложениях средней и высокой мощности.

Некоторые ключевые производители предлагают контроллеры ККМ, работающие в режиме CCM, включая Fairchild Semiconductor, Infineon Technologies, International Rectifier, NXP Semiconductor, ON Semiconductor, Power Integrations и Texas Instruments.

Режим прерывистой проводимости предпочтителен для устройств малой и средней мощности.

В этой области при создании активного контроллера ККМ компания Cirrus Logic внедрила цифровые технологии, позволившие исключить ряд внешних компонентов, необходимых при аналоговой реализации режима, и предложить малозатратное решение для источников питания ноутбуков, компьютеров и цифровых ТВ приемниках. Для достижения близкого к единице коэффициента мощности и снижения уровня электромагнитных излучений в микросхеме CS1500 (Рисунок 3) используются алгоритмы управления временем включения и рабочей частотой.

Рисунок 3.	Цифровой контроллер ККМ компании Cirrus Logic реализует адаптивный цифровой алгоритм для формирования входного переменного тока, повторяющего форму входного напряжения.

Заключение

Под влиянием жестких требований стандартов, таких как EN/IEC61000-3-2 и некоторых из его глобальных производных, количество изготовителей контроллеров ККМ за последние годы увеличилось, предоставив разработчикам больше возможностей для создания решений с коэффициентом мощности близким к единице при небольших затратах и с минимальным количеством компонентов. Мы исследовали топологию как пассивных, так и активных корректоров коэффициента мощности и представили несколько контроллеров, достойных особого внимания.

Ссылки

1. Harmonic Current Emissions Guidelines to the standard EN 61000-3-2 http://www.epsma.org/pdf/PFC%20Guide_November%202010.pdf
2. “Basics of Power Factor Correction (PFC),” by ON Semiconductor and Dhaval Dalal, ACP Technologies http://www.eetimes.com/design/power-management-design/4215413/The-basics-of-power-factor-correction—PFC—Part-1-of-3

Источник: https://www.rlocman.ru/review/article.html?di=135540