Suggerimenti di potenza n. 124: come migliorare il fattore di potenza di un PFC

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introduzione

In Power Tips #116 ho parlato di come ridurre la distorsione armonica totale (THD) di un correttore del fattore di potenza (PFC). In questo consiglio sulla potenza, parlerò di un altro criterio importante per valutare le prestazioni del PFC: il fattore di potenza, definito come il rapporto tra la potenza reale in watt e la potenza apparente, che è il prodotto della corrente efficace (RMS) e della corrente RMS tensione in volt ampere, come mostrato nell’equazione 1:

Il fattore di potenza indica l’efficienza con cui l’energia viene prelevata dalla sorgente CA. Con un fattore di potenza basso, un’azienda elettrica deve generare più corrente di quella effettivamente necessaria al carico elettrico, il che provoca il surriscaldamento di elementi come interruttori e trasformatori, riducendone a sua volta la durata di vita e aumentando i costi di manutenzione di un’infrastruttura elettrica pubblica.

Idealmente, il fattore di potenza dovrebbe essere 1; quindi il carico appare come un resistore alla sorgente CA. Tuttavia, nel mondo reale, i carichi elettrici non solo causano distorsioni nelle forme d’onda della corrente CA, ma fanno anche sì che la corrente CA sia in anticipo o in ritardo rispetto alla tensione CA, determinando uno scarso fattore di potenza. Per questo motivo è possibile calcolare il fattore di potenza moltiplicando il fattore di potenza di distorsione per il fattore di potenza di spostamento:

Dove Fi è l’angolo di fase tra la corrente e la tensione e il THD è la distorsione armonica totale della corrente.

Man mano che il requisito THD diminuisce, il requisito del fattore di potenza aumenta. Tabella 1 elenca i requisiti del fattore di potenza nella specifica di base M-CRPS (Modular Hardware System-Common Redundant Power Supply) recentemente rilasciata.

Tabella 1 Requisiti del fattore di potenza M-CRPS

L’equazione 2 mostra che per migliorare il fattore di potenza, la prima cosa da fare è ridurre il THD (di cui ho parlato in Power Tips #116). Tuttavia, un THD basso non significa necessariamente che il fattore di potenza sia elevato. Se la corrente di ingresso CA del PFC e la tensione di ingresso CA non sono in fase, anche se la corrente è un’onda sinusoidale perfetta (basso THD), l’angolo di fase Fi risulterà in un fattore di potenza inferiore a 1.

La differenza di fase tra la corrente di ingresso e la tensione di ingresso è causata principalmente dal filtro di interferenza elettromagnetica (EMI) utilizzato nel PFC. Figura 1 mostra un tipico schema circuitale PFC composto da tre parti principali: un filtro EMI, un raddrizzatore a ponte a diodi e un convertitore boost.

Figura 1 Schema circuitale di un tipico PFC costituito da un filtro EMI, un raddrizzatore a ponte a diodi e un convertitore boost. Fonte: Texas Instruments

Nella Figura 1, C1, C2, C3 e C4 sono condensatori EMI X. Gli induttori nel filtro EMI non modificano la fase della corrente di ingresso del PFC; pertanto, è possibile semplificare la Figura 1 in figura 2dove C è ora una combinazione di C1, C2, C3 e C4.

figura 2 Filtro EMI semplificato dove C è una combinazione di C1, C2 e C3. Fonte: Texas Instruments

Il condensatore X fa sì che la corrente di ingresso CA guidi la tensione CA, come mostrato in Figura 3. La corrente dell’induttore PFC è la tensione di ingresso è e la corrente reattiva del condensatore X è . La corrente di ingresso totale del PFC è , che è anche la corrente da cui viene misurato il fattore di potenza. Sebbene il circuito di controllo della corrente PFC forzi da seguire la corrente reattiva di conduce di 90 gradi, il che provoca condurre . Il risultato è un fattore di potenza scarso.

Questo effetto è amplificato con un carico leggero e una linea alta, come assume più peso nella corrente totale. Di conseguenza, è difficile che il fattore di potenza soddisfi una specifica rigorosa come la specifica M-CRPS.

Figura 3 Condensatore X fa sì che la corrente CA sia in testa alla tensione CA. Fonte: Texas Instruments

Fortunatamente, con un controller digitale, puoi risolvere questo problema utilizzando uno dei seguenti metodi.

Metodo n. 1

Da fa sì che la corrente totale porti la tensione in ingresso, se puoi forzare il ritardare in una certa misura, come mostrato in Figura 4quindi la corrente totale sarà in fase con la tensione di ingresso, migliorando il fattore di potenza.

Figura 4 Forzare ritardare in modo che la corrente totale sarà in fase con la tensione di ingresso. Fonte: Texas Instruments

Poiché il circuito di corrente costringe la corrente dell’induttore a seguire il suo riferimento, per lasciare ritardare il riferimento attuale deve essere in ritardo . Per un PFC con controllo tradizionale della modalità di corrente media, il riferimento di corrente è generato dall’Equazione 3:

dove A è l’uscita del circuito di tensione, B è uguale a 1/V_{AC_RMS}²e C è la tensione di ingresso rilevata V_AC(T).

Per ritardare il riferimento di corrente, viene misurato un convertitore analogico-digitale (ADC). , i risultati della misurazione vengono memorizzati in un buffer di circolazione. Quindi, invece di utilizzare la tensione di ingresso più recente (V_IN), l’equazione 3 utilizza V_IN dati per calcolare il riferimento attuale per il momento presente. Il riferimento corrente ritarderà ; verrà quindi creato il ciclo corrente ritardo . Questo può compensare il condensatore x principale e migliorare il fattore di potenza.

Il periodo di ritardo necessita di una regolazione dinamica in base alla tensione di ingresso e al carico di uscita. Minore è la tensione di ingresso e più pesante il carico, minore è il ritardo necessario. Altrimenti sarà eccessivamente ritardato, rendendo il fattore di potenza peggiore che se non ci fosse alcun ritardo. Per risolvere questo problema, utilizzare una tabella di ricerca per regolare in modo preciso e dinamico il tempo di ritardo in base alle condizioni operative.

Metodo n.2

Poiché uno scarso fattore di potenza è causato principalmente dal condensatore EMI X se calcoli per un dato valore del condensatore X e una tensione di ingresso, quindi sottrarre dalla corrente di ingresso ideale totale per formare un nuovo riferimento di corrente per il circuito di corrente PFC, si otterrà una corrente di ingresso totale migliore che è in fase con la tensione di ingresso e può raggiungere un buon fattore di potenza.

Per spiegare in dettaglio, per un PFC con un fattore di potenza unitario pari a 1, è in fase con . L’equazione 4 esprime la tensione di ingresso:

Dove V_AC è il V_IN valore di picco e F è il V_IN frequenza. La corrente di ingresso ideale deve quindi essere totalmente in fase con la tensione di ingresso, espressa dall’equazione 5:

Dove IO_AC è il valore di picco della corrente in ingresso.

Poiché la corrente del condensatore è vedere l’equazione 6:

L’equazione 7 deriva dalla Figura 2:

Combinando le equazioni 5, 6 e 7 si ottiene l’equazione 8:

Se si utilizza l’equazione 8 come riferimento di corrente per il circuito di corrente PFC, è possibile compensare completamente il condensatore X EMI , ottenendo un fattore di potenza unitario. In Figura 5la curva blu è la forma d’onda della corrente di ingresso preferita, i_AC

Figura 5 Nuovo riferimento attuale con i_AC

Per generare il riferimento di corrente come mostrato nell’equazione 8, devi prima calcolare la corrente reattiva del condensatore EMI X, i_C(T). Utilizzando un controller digitale, un ADC campiona la tensione CA in ingresso, che la CPU legge poi nella routine del ciclo di interruzione a una velocità fissa. Calcolando quanti campioni ADC si trovano in due passaggi per lo zero CA consecutivi, l’equazione 9 determina la frequenza della tensione CA in ingresso:

Dove F_isr è la frequenza del ciclo di interruzione e N è il numero totale di campioni ADC in due passaggi per lo zero AC consecutivi.

Per ottenere la forma d’onda coseno cos(2πft), un anello ad aggancio di fase software genera un’onda sinusoidale interna sincronizzata con la tensione di ingresso, consentendo di ottenere la forma d’onda coseno. Utilizzare l’equazione 6 per calcolare i_C

Rimodellamento del riferimento corrente nell’area di passaggio per lo zero AC

Questi due metodi consentono ritardo al fine di migliorare il fattore di potenza; tuttavia, potrebbero causare un’ulteriore distorsione di corrente al passaggio per lo zero CA. Vedere Figura 6. A causa del raddrizzatore a ponte a diodi utilizzato nello stadio di potenza PFC, i diodi bloccheranno qualsiasi corrente inversa. Facendo riferimento alla Figura 6, durante T1 e T2, V_AC

Di conseguenza, il riferimento attuale deve essere pari a zero durante questi due periodi; altrimenti l’integratore nel circuito di controllo si accumulerà. Quando i due periodi sono trascorsi e la corrente inizia a condurre, il circuito di controllo genera un ciclo di lavoro PWM maggiore del necessario, causando picchi di corrente. La curva rossa nella Figura 6 mostra quale sia l’effettivo i_l

Figura 6 Curva di riferimento della corrente finale dove la curva rossa mostra quale è l’attuale i_l

Ottimizzazione del fattore di potenza

Un fattore di potenza scarso è causato principalmente dal condensatore X utilizzato nel filtro EMI PFC, ma è possibile compensare l’effetto della corrente reattiva del condensatore X ritardando la corrente dell’induttore. Ora che puoi utilizzare uno dei due metodi per ritardare la corrente dell’induttore, puoi combinarli con la guida nei Suggerimenti per l’alimentazione n. 116 per soddisfare sia un fattore di potenza elevato che un requisito THD basso.

Bosheng Sun è un ingegnere di sistemi, applicazioni e firmware presso Texas Instruments.

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Il post Power Tips #124: Come migliorare il fattore di potenza di un PFC è apparso per la prima volta su EDN.

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