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实现新效率目标的基本要素

李超 来源:76r456546 作者:76r456546 2022-08-09 08:02 次阅读

能源使用和效率水平正受到比以往任何时候都更严格的审查,因为消费者越来越关心他们的水电费的规模,而企业主希望遏制他们不断上升的运营费用。所有这一切都因日益重要的环境因素而进一步恶化,人们普遍认识到低效设备会产生废热,最终会对生态产生不利影响。

电力电子领域,转换效率一直是讨论的关键话题,也是任何数据表中的主要参数之一。为了以最有利的方式展示他们的产品电源制造商通常会引用“最佳”数字,这通常是大约 80% 负载时的单一值。然而,应该注意的是,在实际应用中,所消耗的功率可能根本不在这个水平上。

负载可能会发生显着波动——这取决于它们的运行方式,并且在冗余配置中,所消耗的功率始终会低得多(除非发生故障情况)。这意味着系统的实际效率可能远低于引用的效率值所暗示的。

认识到这种情况的严重性,标准机构、行业团体和政府机构制定了新能源指南。这些指南通常采用引用效率曲线的形式,这些曲线规定了所有运行负载(从 20% 到满负载)的最低可接受效率水平。因此,设计工程师已经能够评估电力系统中的基本构建块,以确定会发生损耗的位置,然后采取行动消除它们,从而确保满足新的效率准则。功率因数校正 (PFC) 对于解决潜在损耗源至关重要,应相应实施。

了解电力系统中的损耗

无电源系统将非常高效,虽然现代开关半导体器件现在提供前所未有的性能水平,但在运行过程中总会有一些损失,从而导致效率水平降低。在电力系统中,有两种类型的损耗需要注意:开关损耗和传导损耗。

传导损耗包括桥式二极管正向电压引起的损耗,它与系统功率和开关器件(如 MOSFETIGBT)的导通电阻成正比。这些与整个系统功率的平方成正比。由于它们会随着输送的功率而增加,因此它们在接近满载的情况下往往会产生更大的影响。传统上,最集中的地方曾经应用在这里。

第二种损耗是开关损耗。随着设计工程师努力提高功率密度水平并减小系统尺寸,开关频率不断增加,从而可以减小系统中包含的庞大磁性组件的尺寸。开关损耗与寄生电容(例如在开关器件栅极中发现的那些)的不断充电有关。这些与开关频率成正比,并且在整个工作功率范围内保持一致。这些损耗往往在较低功率水平下最为普遍,它们会对系统效率产生重大影响。

那么为什么 PFC 对效率如此重要呢?

公用事业公司提供的所有电网电源都是交流电,电压波形始终为正弦波。然而,电流波形的形状和相位不一定是正弦的,而是由被供电的负载决定的。对于最简单的纯电阻负载,例如加热元件,负载电流与电压同相并保持正弦。计算在这种情况下提供的功率仅仅是将电压和电流相乘的问题。

其他类型的负载,例如电机,可能包括电抗组件(电感或电容)。在这种情况下,虽然电流波形保持正弦曲线,但它将相对于电压波形发生相移,负载中的电抗量决定相移量。功率计算需要考虑相位,因此有功功率由下式确定:

有功功率 = V * I * cos(Φ)

这里 f 代表电压和电流波形之间的相位角,cos(Φ) 被称为“位移因子”。在阻性负载中,电流和电压在 cos(Φ) 相位中的值为 1——这意味着有功功率仍然是电压和电流的乘积,正常情况下。然而,实际负载通常不会那么简单,尤其是在负载是开关模式电源 (SMPS) 的情况下。这些单元通常有一个二极管桥式整流器和浪涌电容器,这会导致电流波形失去其正弦形状并变成一系列尖峰。

由于波形失真且不再是正弦波,因此使用与波形的总谐波失真 (THD) 相关联的“失真因子”(cos(Θ)) 计算有功功率。因此,在电流和电压同相但电流波形非正弦的系统中,适用以下公式:

有功功率 = V * I * cos(Θ)

在电流波形同时发生相移和失真的情况下,事情会变得稍微复杂一些。这里必须同时应用位移因子和失真因子:

有功功率 = V * I * cos(Θ) * cos(Φ)

任何系统的功率因数只是两个因素的乘积:

功率因数 = cos (Θ) * cos(Φ)

实际上,这意味着电压和电流之间的相位差越大,或者电流波形越失真,功率因数越低,因此有功功率越低。由于功率因数也会影响效率,这现在是电源设计人员需要解决的一个关键领域。

修正功率因数的必要性

相对复杂的数学将表明,如果频率相同,将两个正弦波形相乘只能给出大于零的值。因此,可以推断谐波电流对系统的有用输出功率没有贡献,应该减少或消除。

这正是被大多数人认为是主要 PFC 标准 EN 61000-3-2 所采用的方法。与包括美国环境保护署 (EPA) 能源之星在内的许多现代效率规范一样,EN61000-3-2 旨在通过定义谐波电流的严格限制来降低电流波形的 THD,直至 40次谐波。

实现 PFC 的最常见方法是在桥式整流器和大容量电容器之间插入一个有源级,使用商用 PFC 控制器中的几种常见控制方案之一。可能最广泛使用的控制方案是连续传导模式 (CCM),它以固定频率运行,通常用于更高功率 (》300W) 的系统中。一种流行的替代方法是临界传导模式 (CrM) 控制。这通过仅在电感器电流降至零时才切换,从而无需快速恢复二极管。这会降低系统成本,但会导致开关频率可变。CrM 在低功率系统中尤其普遍,例如用于照明的系统。

PFC 控制方案有进一步的增强,其目标是提供更高程度的效率,例如将工作频率限制在定义的范围内。一些控制方案会根据负载变化改变导通模式,以确保达到最佳效率。

实用的 PFC 解决方案

虽然可以使用分立元件从头开始设计 PFC 机制,但这种情况很少发生。大多数工程师会选择使用内置 PFC 控制方案的现成控制 IC。 ON Semiconductor 的 FL7921R CrM 照明控制器是一种高度集成的器件,它结合了 PFC 控制器和准谐振 (QR) PWM 控制器。 它采用受控导通时间技术提供稳压直流输出,执行自然 PFC。该 IC 包括一个 THD 优化器,可减少过零处的输入电流失真,从而提高功率因数。PFC 功能始终开启以确保功率因数始终得到充分优化,包括在所有重要的轻负载下(图 1 和 2)。

图 2:FL7921R 的功能框图

STMicroelectronics 的 STNRGPFx2 是一款双通道交错式 CCM PFC 数字控制器,旨在用于更高功率的 PFC 升压应用,例如焊接、工业电机、电池充电器和电源。这种固定频率器件能够驱动两个交错的 PFC 通道,包括浪涌电流限制,以及更复杂的功能,如切相操作。使用 STMicroelectronics 的 eDesignSuite,客户可以快速轻松地配置设备。

概括

管理和控制现代电力系统的功率因数是提高所有运行条件下效率的关键,包括传统上效率非常低的轻负载。在具有挑战性的效率规范的推动下,随着消费者和公司越来越意识到运营成本和浪费能源对环境的不利影响,充足的 PFC 现在是一项关键的采购要求。幸运的是,有许多高度集成的控制器可供工程师使用,使工程师能够轻松实施各种复杂的 PFC 方案,以适应他们的特定应用。

审核编辑:郭婷

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