Power Integrations
Avtor: Andrew Smith
Tehnike spremenljive frekvence z diskontinuiranim prevodnim načinom (DCM), ki se uporabljajo v družini integriranih pretvornikov za izboljšanje faktorja moči (PFC) HiperPFS™-5 podjetja Power Integrations, zagotavljajo številne pomembne prednosti pri zmanjševanju velikosti učinkovitih rešitev za izboljšanje faktorja moči.
V integriranih vezjih HiperPFS-5 so prvič uporabljena tudi PowiGaN™ močnostna stikala za zmanjšanje prevodnih izgub in preklapljanje pri prehodu čez ničlo, kar zagotavlja PFC učinkovitost višjo kot 98 % pri 240 W.
Konvencionalna DCM C vezja za zagotavljanje PFC uporabljajo algoritem krmiljenja s fiksno frekvenco, pri čemer se za regulacijo izhodne moči uporablja krmiljenje z mrtvim časom. Pristop DCM, ki se uporablja v integriranih vezjih HiperPFS-5, spreminja stikalno frekvenco z vhodno napetostjo in obremenitvijo ter v vsakem ciklu preklopa. Algoritem je optimiziran tako, da pri najnižji vhodni napetosti in polni obremenitvi preide v kritični način (CrM), ki postaja vedno bolj neprekinjen, ko napetost narašča (in ali se obremenitev zmanjšuje).
Kako DCM s spremenljivo frekvenco krmili povečan tok i(t), da se zagotovi dober faktor moči (PF)?, enačba 1:
Graf na sliki 1 prikazuje razmerje med vhodom in izhodom v DCM.
Delovni cikel (v DCM) lahko opišemo kot v enačbi 2:
Z uporabo Ddcm(t) iz (2) v enačbi (1) dobimo enačbo 3:
Če predpostavimo, da je vhodni tok sinusni, lahko iin(rms) nadomestimo z i(t), da dobimo izraz za vhodni tok, enačba 4:
Če zagotovimo, da D0 ostane konstanten v celotnem ciklu preklopa, bo tok sledil napetosti, faktor moči pa bo enak ena. Za določitev D0 enačba 5:
Za učinkovitost ƞ
Preuredimo enačbo 3, enačba 6:
Z uporabo te vrednosti delovnega cikla (3) v enačbi (2), enačba 7:
Imamo enačbo (4), ki povezuje delovni cikel s frekvenco, obremenitvijo in trenutno vhodno napetostjo. Če to funkcijo narišemo v graf, ki omogoča primerjavo stikalne frekvence z vhodno napetostjo v enem polciklu izmeničnega toka (polna obremenitev), vidimo edinstven frekvenčni profil (slika 2).
Podoben niz krivulj lahko ustvarite s spremljanjem obremenitve v celotnem ciklu (fiksni izmenični tok VAC – na sliki 3 predpostavljamo 115 VAC). Pomembna je oblika teh krivulj o učinkovitosti pri obremenitvi. Prav tako vplivajo na velikost tuljave in na EMI.
Meritve dejanskih oblik signalov v primerjavi s temi teoretičnimi zahtevami, kot so bile izvedene v sistemu HiperPFS-5, kažejo dobro ujemanje oblike toka (slika 4a).
Rezultat tega je PF, ki je večji od 0,96 od 20 % obremenitve do polne obremenitve.
Ena formula za vse
Induktivnost, potrebna za delovanje CrM in DCM, je opisana s enačbo 5, enačba 8:
Najmanjša potrebna induktivnost se izračuna pri VINMIN (90 VAC v tipičnih aplikacijah) in polni obremenitvi z uporabo enačbe 5.
Vloga stikalne frekvence pri zmanjševanju induktivnosti je dobro poznana. V praktičnih PFC vezjih mora biti stikalna frekvenca med približno 20 kHz in 140 kHz. To frekvenčno območje omejuje stikalne izgube, preprečuje težave z EMI, saj se stikalna frekvenca pri 150 kHz približuje mejni vrednosti EN55015 dB μV in zmanjšuje slišni šum (najbolj razširjen pod 20 kHz). Tokokrogi CrM delujejo pri najnižji frekvenci in najnižji omrežni napetosti (slika 4). Tu omejimo največjo stikalno frekvenco v praktični zasnovi.
Na sliki 2 vidimo, da je karakteristika 90 VAC (črna sled) za DCM pristop s spremenljivo frekvenco največja pri vrhu vhodnega vala (ko je vhodni tok največji). To pomeni, da bo DCM pristop ustvaril rešitev z nižjo minimalno induktivnostjo. V praktični primerjavi zasnove vidimo trikratno zmanjšanje potrebne induktivnosti:
HiperPFS-5 induktivnost pri pretvorniku navzgor izračunana pri fS = 80 kHz, daje induktivnost = 150 μH
Kritični način PFC: fS ~ 20 kHz najmanj (pri ϖ/2), kar pomeni induktivnost = 450 μH
Zmanjšanje EMI
Preklapljanje s spremenljivo frekvenco na sliki 2 (in tudi na sliki 4 CrM) je opisano kot preklapljanje z razpršenim spektrom. Z nenehnim spreminjanjem stikalne frekvence v vsakem ciklu linije se EMI porazdeli na več frekvenčnih nizov, s čimer se zmanjša število konic in olajša izpolnjevanje standarda.
Visoka učinkovitost pri celotni obremenitvi
Na sliki 3 vidimo, da se frekvenca z zmanjševanjem obremenitve zmanjšuje. Za opis te lastnosti se uporablja izraz „frekvenčno drsenje“, ki zmanjšuje stikalne izgube pri zmanjševanju obremenitve (podobno kot pri krmilnih vezjih ON-OFF) in zagotavlja, da učinkovitost ostane visoka v celotnem območju obremenitve. To je pomembno za naprave in industrijske aplikacije ter opremo, za katero veljajo standardi PC 80 Plus®, pri katerih se učinkovitost meri v celotnem območju obremenitve. V aplikacijah USB PD in USB 3.1 z visoko močjo in hitrim polnjenjem se pri zahtevah glede učinkovitosti adapterja upošteva tudi učinkovitost v celotnem območju obremenitve. Slika 5 prikazuje učinkovitost vezja HiperPFS-5 (del referenčne zasnove PI DER-672) glede na učinkovitost pri obremenitvi.
Povzetek
Krmiljenje s spremenljivo frekvenco DCM, ki se uporablja v družini pretvornikov moči HiperPFS-5, zagotavlja visoko učinkovitost in minimalno velikost tuljave. Uporaba PowiGaN™ za stikalni pretvorniknavzgor skupaj s preklopom v prehodu čez ničlo (tema drugega članka) zagotavlja, da družina zagotavlja več kot 98-odstotni izkoristek pri obremenitvi 250 W – kar je bistveno več, kot bi lahko pričakovali od običajne DCM PFC zasnove.
Za več informacij o družini integriranih vezij za pretvorbo električne energije HiperPFS-5 obiščite spletno stran podjetja Power Integrations na naslovu www.power.com/hiperpfs-5.
