EUR | USD

Progettare una correzione più efficace del fattore di potenza mediante i semiconduttori con ampia banda proibita e il controllo digitale

Di Jeff Shepard

Contributo di Editori nordamericani di Digi-Key

La correzione del fattore di potenza (PFC) è necessaria per massimizzare l'efficienza delle apparecchiature alimentate da una rete in c.a., compresi gli alimentatori c.a./c.c., i caricabatterie, i sistemi di immagazzinaggio dell'energia a batteria, i comandi dei motori e i gruppi di continuità. La sua importanza è tale che esistono norme che dettano i livelli minimi del fattore di potenza (PF) per specifici tipi di apparecchiature elettroniche.

Per soddisfare queste normative a fronte di una pressione costante volta a migliorare le prestazioni complessive con fattori di forma sempre più ridotti, i progettisti stanno optando per progetti di PFC attiva che sfruttano le tecniche di controllo digitale e i semiconduttori con ampia banda proibita come quelli al carburo di silicio (SiC) e al nitruro di gallio (GaN).

Questo articolo passa in rassegna i concetti e le definizioni di PF, comprese le diverse definizioni tra IEEE e IEC e le norme associate. Presenta poi soluzioni per PFC di fornitori come STMicroelectronics, Transphorm, Microchip Technology e Infineon Technologies che i progettisti possono utilizzare per implementare la PFC utilizzando i semiconduttori con ampia banda proibita e il controllo digitale, compreso l'uso delle schede di valutazione.

Che cos'è il fattore di potenza e perché è necessario?

Il PF è una misura del livello di potenza reattiva in un sistema. La potenza reattiva non è la vera potenza ma rappresenta l'impatto di volt e ampere tra loro fuori fase (Figura 1). Essendo fuori fase, non possono contribuire efficacemente al lavoro, ma appaiono comunque come un carico sulla linea di alimentazione di rete in c.a. La quantità di potenza reattiva in un sistema è una misura del livello di inefficienza nella trasmissione dell'energia. La PFC attiva utilizza l'elettronica di potenza per modificare la fase e/o la forma d'onda della corrente tracciata da un carico per migliorare il PF. L'uso della PFC aumenta l'efficienza complessiva del sistema.

L'immagine con PF definito come il coseno di θFigura 1: Il PF è definito come il coseno di θ e rappresenta il rapporto tra la potenza reale assorbita dal carico e la potenza apparente che attraversa il circuito. La differenza tra i due è causata dalla potenza reattiva. Quando la potenza reattiva è prossima allo zero, il carico appare più puramente resistivo, la potenza apparente e la potenza reale si equalizzano e il PF diventa 1,0. (Immagine per gentile concessione di Wikipedia)

Un PF scadente può insorgere in presenza di carichi lineari o non lineari. I carichi non lineari distorcono la forma d'onda di tensione e/o di corrente. Quando sono coinvolti carichi non lineari, si parla di distorsione PF.

Un carico lineare non distorce la forma d'onda in ingresso, ma può modificare la temporizzazione relativa (fase) tra tensione e corrente a causa della sua induttanza e/o capacità (Figura 2). I circuiti elettrici contenenti carichi prevalentemente resistivi (es. lampade a incandescenza ed elementi riscaldanti) hanno un PF di quasi 1,0, ma i circuiti contenenti carichi induttivi o capacitivi (es. convertitori di potenza a commutazione, motori elettrici, elettrovalvole, trasformatori e reattori per lampade) possono avere un PF ben al di sotto di 1,0.

Immagine della potenza istantanea e media calcolate in base alla tensione e alla corrente c.a.Figura 2: Potenza istantanea e media calcolate dalla tensione e corrente c.a. con un ritardo PF (dove la corrente ritarda la tensione di 0,71) da un carico lineare. (Immagine per gentile concessione di CUI, Inc.)

La maggior parte dei carichi elettronici non è lineare. Esempi di carichi non lineari sono i convertitori di potenza a commutazione e i dispositivi di scarica ad arco come le lampade fluorescenti, le saldatrici elettriche o i forni ad arco. Poiché la corrente in questi sistemi è interrotta da un'azione di commutazione, essa contiene componenti della frequenza che sono multipli della frequenza del sistema di alimentazione. La distorsione PF è una misura di quanto la distorsione armonica di una corrente di carico diminuisce la potenza media trasferita al carico.

Immagine di tensione sinusoidale (giallo) e di corrente non sinusoidale (blu)Figura 3: La tensione sinusoidale (giallo) e la corrente non sinusoidale (blu) danno una distorsione PF di 0,75 per questo alimentatore per computer, che è un carico non lineare. (Immagine per gentile concessione di Wikipedia)

La differenza tra PF in ritardo e PF in anticipo

Un PF in ritardo indica che la corrente è in ritardo rispetto alla tensione, mentre un PF in anticipo indica che la corrente è in anticipo rispetto alla tensione. Per i carichi induttivi (es. motori a induzione, bobine e alcune lampade), la corrente è in ritardo rispetto alla tensione, e si ha un PF in ritardo. Per i carichi capacitivi (es. condensatori sincroni, banchi di condensatori e convertitori di potenza elettronici), la corrente conduce la tensione, e si ha un PF in anticipo.

La distinzione tra ritardo o anticipo non equivale a un valore positivo o negativo. Il segno negativo e positivo che precede un valore di PF è determinato dallo standard usato: IEEE o IEC.

Il PF secondo IEEE e IEC

Gli schemi della Figura 4 mostrano la correlazione fra kilowatt (kW) di potenza, potenza reattiva volt-ampere (var), fattore di potenza e carichi induttivi o capacitivi per le norme IEEE e IEC. Ogni ente normativo utilizza diverse metriche per classificare il PF.

Schema delle convenzioni di segno del fattore di potenza IEC e IEEEFigura 4: Secondo IEC (a sinistra), il segno del fattore di potenza dipende esclusivamente dalla direzione del flusso di potenza reale ed è indipendente dal fatto che il carico sia induttivo o capacitivo. Secondo IEEE (a destra), il segno del fattore di potenza dipende esclusivamente dalla natura del carico (cioè se è capacitivo o induttivo). In questo caso, è indipendente dalla direzione del flusso di potenza reale. (Immagine per gentile concessione di Schneider Electric)

Secondo IEC (lato sinistro della Figura 4), il segno del PF dipende esclusivamente dalla direzione del flusso di potenza reale ed è indipendente dal fatto che il carico sia induttivo o capacitivo. Secondo IEEE (lato destro della Figura 4), il segno del PF dipende esclusivamente dalla natura del carico (cioè se è capacitivo o induttivo). In questo caso, è indipendente dalla direzione del flusso di potenza reale. Per un carico induttivo il PF è negativo. Per un carico capacitivo il PF è positivo.

Standard per il PF

Gli enti normativi come l'UE hanno fissato limiti armonici per migliorare il PF. Per la conformità all'attuale standard UE EN61000-3-2 (che si basa su IEC 61000-3-2), tutti gli alimentatori a commutazione con potenza di uscita superiore a 75 W devono includere la PFC. La certificazione 80 PLUS di EnergyStar per gli alimentatori richiede un PF di 0,9 o più al 100% della potenza di uscita nominale e richiede una PFC attiva. La più recente edizione dello standard IEC al momento di questo articolo è IEC 61000-3-2:2018, "Compatibilità elettromagnetica (EMC) - Parte 3-2: Limiti - Limiti per le emissioni di corrente armonica (apparecchiature con corrente di ingresso ≤16 A per fase)".

I convertitori di potenza a commutazione non corretti non soddisfano gli attuali standard in termini di PFC. Una considerazione che influisce sul PF è il tipo di ingresso c.a. utilizzato, se monofase o trifase. Gli alimentatori a commutazione monofase non corretti hanno tipicamente un PF da 0,65 a 0,75 circa (utilizzando la convenzione IEEE per il segno PF come detto sopra). Ciò è dovuto al fatto che la maggior parte delle unità utilizza un front-end raddrizzatore/condensatore per realizzare una tensione del bus c.c. Questa configurazione assorbe corrente solo al picco di ogni ciclo di linea, creando impulsi di corrente stretti ed elevati che danno luogo a un PF scadente (Figura 3, sopra).

I convertitori di potenza a commutazione trifase non corretti hanno un PF più alto, spesso vicino a 0,85 (sempre utilizzando la convenzione IEEE per il segno PF). Questo perché anche se si utilizza un raddrizzatore/condensatore per realizzare una tensione del bus c.c., ci sono tre fasi che migliorano ulteriormente il PF complessivo. Tuttavia, né i convertitori di potenza a commutazione monofase né quelli trifase possono soddisfare le attuali norme PF senza l'uso di un circuito di correzione PF attivo.

Utilizzo di semiconduttori WBG e del controllo digitale per la progettazione della PFC attiva

L'uso di tecniche di controllo digitale e di semiconduttori di potenza con ampia banda proibita, tra cui GaN e SiC, offrono ai progettisti nuove opzioni per i circuiti di PFC attiva in grado di fornire efficienze e densità di potenza più elevate rispetto ai progetti con PFC attiva basati sul controllo analogico o sui progetti di PFC passiva.

Per le massime prestazioni di PFC, i progettisti possono sostituire i controller analogici con tecniche di controllo digitale avanzate o integrare il controllo analogico con elementi di controllo digitale aggiuntivi, compresi i microcontroller. In alcuni casi, si possono anche utilizzare i semiconduttori WBG per migliorare le prestazioni della PFC.

Il calo dei costi dei componenti ha accelerato l'implementazione di due diversi metodi per la PFC: progetti interleaved e progetti senza ponte. Ciascun approccio comporta una serie di vantaggi unici:

  • Vantaggi della PFC interleaved:
    • Efficienza superiore
    • Migliore distribuzione termica
    • Corrente efficace ridotta attraverso lo stadio PFC
    • Modularità
  • Vantaggi della PFC senza ponte:
    • Efficienza superiore
    • Dimezza le perdite di raddrizzamento degli ingressi
    • Migliore distribuzione termica
    • Densità di potenza superiore

Il controller PFC interleaved a tre canali combina il controllo analogico e digitale

Il controller STNRGPF01 di STMicroelectronics è un ASIC configurabile che combina il controllo digitale e analogico e può pilotare fino a tre canali in una PFC interleaved (Figura 5). Il dispositivo opera in modalità di conduzione continua (CCM) a frequenza fissa con controllo della modalità di corrente media e implementa un controllo a segnale misto (analogico/digitale). Il circuito di corrente interno viene eseguito dall'hardware, garantendo una regolazione ciclo per ciclo. Il circuito di tensione esterno viene eseguito da un controller proporzionale-integrale (PI) digitale con risposta dinamica rapida.

Diagramma a blocchi funzionali del controller PFC STNRGPF01 di STMicroelectronicsFigura 5: Lo schema a blocchi funzionali di STNRGPF01 mostra la sezione di controllo analogico interno (rosso) e la sezione di controllo digitale esterna (verde) in un'applicazione PFC trifase interleaved. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

STNRGPF01 implementa una strategia di distribuzione di fase flessibile che assicura il numero corretto di canali PFC in base alla condizione di carico effettivo. Con questa funzione, STNRGPF01 è sempre in grado di garantire la massima efficienza energetica in un'ampia gamma di requisiti della corrente di carico.

Il controller implementa diverse funzioni: controllo della corrente di inserzione, avvio graduale, gestione del raffreddamento in modalità burst e indicazione dello stato. È inoltre dotato di una serie completa di protezioni embedded contro sovratensioni, sovracorrenti e guasti termici.

Per aiutare i progettisti a muovere i primi passi, STMicroelectronics offre anche la scheda di valutazione per la gestione dell'alimentazione PFC da 3 kW STEVAL-IPFC01V1 basata su STNRGPF01 (Figura 6). Le caratteristiche e le specifiche includono:

  • Intervallo della tensione di ingresso: 90 ~ 265 Vc.a.
  • Campo di frequenza di linea: 47 ~ 63 Hz
  • Potenza massima in uscita: 3 kW a 230 V
  • Tensione di uscita: 400 V
  • PF: >0,98 al 20% di carico
  • Distorsione armonica totale: <5% al 20% di carico
  • Controllo a segnale misto
  • Frequenza di commutazione: 111 kHz
  • Regolazione ciclo per ciclo (circuito di controllo della corrente analogico)
  • Feed-forward di tensione di ingresso e carico
  • Distribuzione di fase
  • Funzionamento in modalità burst

Immagine del diagramma a blocchi di STEVAL-IPFC01V1 di STMicroelectronicsFigura 6: Diagramma a blocchi STEVAL-IPFC01V1 che mostra: 1. Segnali di misurazione I/O; 2. Circuiteria analogica; 3. Stadio di potenza; 4. Sezione di controllo digitale con controller digitale STNRGPF01; in una PFC trifase interleaved. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Oltre al controller a segnale misto STNRGPF01, questa scheda di valutazione include MOSFET di potenza al silicio a canale N, 600 V, 34 A a bassa Qg STW40N60M2 e svariati gate driver in CI PM8834TR.

PFC totem pole senza ponte con FET GaN

Le topologie PFC senza ponte sono state sviluppate per eliminare le cadute di tensione e le inefficienze associate all'uso del raddrizzamento con ponte di diodi. Le PFC totem pole senza ponte sono state abilitate dalla nascita dei semiconduttori di potenza WBG come GaN e SiC (Figura 7). In un progetto convenzionale di tipo totem pole (a), per il raddrizzamento di linea vengono utilizzati due FET GaN e due diodi. In una variante totem senza ponte (b), i diodi sono sostituiti da due MOSFET al silicio a bassa resistenza per sostituire le cadute di corrente-tensione (IV) dei diodi per migliorare l'efficienza.

Schema di due FET GaN e due diodi usati per il raddrizzamento di lineaFigura 7: Due FET GaN e due diodi sono utilizzati per il raddrizzamento di linea in un progetto convenzionale totem pole (a); in un circuito modificato (b), i diodi sono sostituiti da due MOSFET al silicio a bassa resistenza per sostituire le cadute di corrente-tensione dei diodi per migliorare l'efficienza nella variante totem pole senza ponte. (Immagine per gentile concessione di Transphorm)

La carica di recupero inverso (Qrr) significativamente più bassa dei transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT) in GaN rispetto a quella dei MOSFET al silicio rende pratici i progetti totem pole senza ponte (Figura 8). In questo schema semplificato di una PFC totem pole in CCM l'attenzione è incentrata sulla riduzione al minimo delle perdite di conduzione.

Schema semplificato di una PFC totem pole in modalità CCM (fare clic per ingrandire)Figura 8: Lo schema semplificato di una PFC totem pole in modalità CCM comprende due HEMT GaN a commutazione rapida (Q1 e Q2) che funzionano a un'alta frequenza di modulazione della larghezza di impulso e agiscono da convertitore boost e due MOSFET a bassissima resistenza (S1 e S2) che funzionano a una frequenza di linea molto più lenta (50/60 Hz). (Immagine per gentile concessione di Transphorm)

Il circuito è composto da due HEMT GaN a commutazione rapida (Q1 e Q2) e due MOSFET a bassissima resistenza (S1 e S2). Q1 e Q2 funzionano a un'alta frequenza di modulazione della larghezza di impulso (PWM) e fungono da convertitore boost. S1 e S2 funzionano a una frequenza di linea molto più lenta (50/60 Hz) e fungono da raddrizzatori sincronizzati. Il percorso della corrente primaria comprende solo una commutazione veloce e una lenta, senza caduta dei diodi. Il ruolo di S1 e S2 è quello di un raddrizzatore sincronizzato, come illustrato in 8(b) e 8(c). Durante il ciclo c.a. positivo, S1 è acceso e S2 è spento, costringendo la linea neutra c.a. legata al terminale negativo all'uscita c.c. Per il ciclo negativo vale il contrario.

Per consentire il funzionamento CCM, il body diode del transistor slave deve funzionare come diodo in flyback affinché la corrente dell'induttore scorra durante i tempi di inattività. La corrente del diodo, tuttavia, deve ridursi rapidamente a zero e passare allo stato di protezione dalla corrente inversa una volta che l'interruttore principale si accende. Questo è il processo critico per una PFC totem pole, che con l'alta Qrr del body diode dei MOSFET Si ad alta tensione, provoca picchi anomali, instabilità e le relative alte perdite di commutazione. La bassa Qrr degli interruttori GaN permette ai progettisti di superare questo ostacolo.

I progettisti possono studiare il funzionamento del circuito utilizzando la scheda di valutazione per PFC totem pole senza ponte da 4 kW TDTTP4000W066C di Transphorm. Questa utilizza come controller il modulo innestabile di alimentazione digitale (PIM) MA330048 dsPIC33CK256MP506 di Microchip Technology. La conversione monofase ad altissima efficienza si ottiene con i FET GaN Gen IV (SuperGaN) TP65H035G4WS di Transphorm. Utilizzando i FET GaN di Transphorm nella fase di commutazione rapida del circuito e MOSFET a bassa resistenza nella fase di commutazione lenta, il circuito offre prestazioni ed efficienza migliorate.

La PFC totem pole senza ponte combina FET in silicio e FET SiC

Per i progettisti di veicoli elettrici a batteria che interagiscono con la rete e di sistemi di immagazzinaggio dell'energia a batteria, Infineon offre la scheda di valutazione EVAL3K3K3WTPPFCSICTOBO1, un correttore PF totem pole da 3300 W con capacità di potenza bidirezionale (Figura 9). Questa scheda per PFC totem pole senza ponte offre un'elevata densità di potenza di 4,4 W/cm³. Il totem pole implementato nella scheda EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 funziona in CCM sia in modalità raddrizzatore (PFC) che inverter, con implementazione di controllo digitale completo mediante il microcontroller XMC1000 di Infineon.

Diagramma a blocchi della scheda di valutazione per PFC totem pole a 3300 W EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 di Infineon TechnologiesFigura 9: Un diagramma a blocchi della scheda di valutazione per PFC totem pole a 3300 W EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 mostra la topologia che fornisce la densità di potenza specificata della scheda di 4,4 W/cm³. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies)

Questa PFC totem pole utilizza una combinazione di MOSFET SiC CoolSiC da 64 mΩ, 650 V IMZA65R048M1 di Infineon e MOSFET di potenza al silicio CoolMOS C7 da 17 mΩ, 600 V IPW60R017C7. Il convertitore funziona esclusivamente a linea alta (176 V rms minimo, 230 V rms nominali) in CCM con una frequenza di commutazione di 65 kHz e raggiunge un'efficienza fino al 99% a metà carico. Ulteriori dispositivi di Infineon utilizzati in questa soluzione totem pole bidirezionale da 3300 W (PFC/c.a./c.c. e inverter/c.a./c.c.) includono:

  • Gate driver isolati 2EDF7275FXUMA1
  • Controller in flyback QR ICE5QSAGXUMA1 e MOSFET CoolMOS P7 da 950 V IPU95R3K7P7 per l'alimentazione di polarizzazione ausiliaria
  • Microcontroller XMC1404 per l'implementazione del controllo PFC

Conclusione

Un basso PF introduce inefficienze nella rete elettrica e nei convertitori di potenza, rendendo necessario la PFC per una varietà di apparecchiature alimentate in rete, con normative che dettano i livelli minimi di PF per specifici tipi di dispositivi elettronici. Per soddisfare questi requisiti normativi e al tempo stesso la necessità di fattori di forma più piccoli e prestazioni superiori, i progettisti hanno bisogno di un'alternativa alle semplici tecniche a basso costo che si basano sulla PFC passiva.

Come mostrato, i progettisti possono invece implementare progetti di PFC attiva utilizzando tecniche di controllo digitale e semiconduttori WBG come SiC e GaN per ottenere PF più elevati e progetti più compatti.

Letture consigliate

  1. Progettare soluzioni efficienti per la correzione del fattore di potenza interleaved
  2. Utilizzare MOSFET basati su SiC per migliorare l'efficienza di conversione di potenza

Esonero della responsabilità: le opinioni, le convinzioni e i punti di vista espressi dai vari autori e/o dai partecipanti al forum su questo sito Web non riflettono necessariamente le opinioni, le convinzioni e i punti di vista di Digi-Key Electronics o le sue politiche.

Informazioni su questo autore

Jeff Shepard

Da oltre 30 anni, Jeff scrive articoli sull'elettronica di potenza, sui componenti elettronici e altri argomenti tecnologici. Ha iniziato a parlare di elettronica di potenza come Senior Editor presso EETimes. Successivamente ha fondato Powertechniques, una rivista di progettazione per l'elettronica di potenza e poco dopo ha fondato Darnell Group, una società globale di ricerca e pubblicazione di elettronica di potenza. Tra le sue attività, Darnell Group ha pubblicato PowerPulse.net, che forniva notizie quotidiane per la community globale degli ingegneri dediti all'elettronica di potenza. È autore di un libro di testo sugli alimentatori a commutazione, intitolato "Power Supply", pubblicato dalla divisione Reston di Prentice Hall.

Jeff è anche stato co-fondatore di Jeta Power Systems, un produttore di alimentatori a commutazione ad alta potenza, acquisita poi da Computer Products. Jeff è anche un inventore: ha a suo nome 17 brevetti statunitensi nel campo della raccolta dell'energia termica e dei metamateriali ottici ed è un relatore frequente sulle tendenze globali dell'elettronica di potenza. Ha conseguito un master in metodi quantitativi e matematica presso l'Università della California.

Informazioni su questo editore

Editori nordamericani di Digi-Key