[מבוא]אֶלֶקטרוֹנִי ציוד מחובר יותר ויותר לרשת, מה שמגביר את ההסתברות לעיוות של הרשת והופך את רשת ההפצה מועדת לבעיות. כדי להקל על הבעיות הללו, תכנוני ספקי כוח דורשים מעגלי תיקון מקדם הספק מתקדמים (PFC) כדי לעמוד בתקני מקדם הספק (PF) מחמירים.
הטופולוגיה הנפוצה ביותר עבור תיקון גורם הספק היא Boost PFC, אך הופעתם של מוליכים למחצה רחבים (WBG) כגון GaN ו-SiC הניעה את המימוש של טופולוגיות חסרות גשר כגון PFC בקוטב טוטם, בעוד שהבקרת הטוטם-קוטב מתקדמת יותר. מפשט את השליטה בעיצובים מורכבים כגון PFCs עם עמודי טוטם משולבים. מאמר זה משווה את השימוש בשלוש טופולוגיות ביישומים שונים, לרבות PFC דחיפה שזירה, PFC ללא גשרים ו-PFC עם עמוד טוטם שזור.
Interleaved Boost PFC
PFC של חיזוק משולבים הוא הטופולוגיה הנפוצה ביותר לתיקון גורמי הספק. טופולוגיה זו כוללת חיזוק מֵמִיר (ראה איור 1) בנוסף לשימוש בגשר דיודה מיישר להמרת ה-AC מתח למתח DC. ממיר הבוסט מגביר את המתח לערך גבוה יותר, מה שמפחית את אדוות מתח המוצא תוך עיצוב הזרם לגל סינוס.
איור 1: סכימה של PFC להגברת שזירה
ניתן להשיג תיקון מקדם הספק עם ממיר דחיפה אחד בלבד, אך לעתים קרובות מתכננים משתמשים בשני ממירים או יותר במקביל המוזזים פאזה ביחס זה לזה. חיבור משולב זה משפר את היעילות תוך הפחתת אדוות זרם הכניסה.
PFC ללא גשר טוטם
היישום של חדש סמיקונדקטור חומרים, במיוחד סיליקון קרביד (SiC), למתגי חשמל יכולים לאפשר עיצובים שלא היו ניתנים לביצוע בעבר בשל התכונות התרמיות והחשמליות של הסיליקון. אחת מהן היא טופולוגיית הטוטם-פול ללא גשרים, המשלבת שלבי תיקון והגברה ומספקת שני ענפי מיתוג הפועלים בתדרים שונים (ראה איור 2).
איור 2: סכמטי של PFC ללא גשר עם עמוד טוטם
הענף הראשון, הנקרא הענף האיטי (SD1 ו-SD2), מתנועע בתדר הרשת (למשל בין 50Hz ל-60Hz). הוא משתמש במתגי סיליקון מסורתיים, שאחראים בעיקר על תיקון מתח הכניסה. הענף השני, הנקרא הענף המהיר (Q1 ו-Q2), מעצב בעיקר את הזרם תוך הגברת המתח, והענף הזה צריך לעבור בתדר גבוה במיוחד (~100kHz). מיתוג בהספק גבוה עם תדרים גבוהים יותר גורם ללחץ תרמי וחשמלי גדול יותר על המתגים, והממירים צריכים להשתמש בפער פס רחב סמיקונדקטור מכשירים כגון SiC ו-GaN מוספים לפעול בצורה בטוחה ויעילה.
טופולוגיה זו משפרת בדרך כלל את הביצועים בהשוואה לממיר בוסט משולב. אבל מתגים פעילים נוספים מסבכים את הבקרה מעגל, בעיה שלעתים קרובות ניתן למתן עם בקר משולב של עמוד טוטם.
עמוד טוטם מבודד PFC
כדי להגביר את היעילות של PFC ללא גשרים, ניתן להוסיף ענפים נוספים בתדירות גבוהה כדי ליצור PFC עם עמוד טוטם מדורג. ענף נוסף זה מפחית את אדוות מתח המוצא של הממיר ומחלק את דרישות ההספק של הממיר באופן שווה על פני כל הענפים, תוך מזעור גודל הפריסה והעלות הכוללת.
איור 3: סכימת PFC ללא גשר ללא גשרים
עיצוב ניסוי השוואתי של טופולוגיות PFC
פרמטרים הפעלה
כדי להשוות טופולוגיות במקרים שונים, פיתחנו סדרה של מודלים של סימולציה עבור שתי רמות ההספק. אותם מפרטי מערכת שימשו גם כדי להפוך את התוצאות להשוואות (ראה טבלה 1).
טבלה 1: מפרטי מערכת
השוואת פרמטרים
הפרמטרים המרכזיים שהוגדרו להשוואת טופולוגיה מתוארים להלן.
אדווה זרם כניסה (ΔIIN): ΔIIN מייצג את כמות השינוי בזרם הכניסה, המתקבל על ידי מדידת ההפרש בין הערכים המקסימליים והמינימליים של זרם הכניסה במהלך מחזור מיתוג בודד. ΔIIN מחושב באמצעות משוואה (1):
Current Total Harmonic Distortion (THDI): THDI מתקבל על ידי מדידת העיוות ההרמוני הקיים בזרם הכניסה ללא מסנן. ניתן להעריך THDI באמצעות משוואה (2):
אינדקס אנרגיה אינדוקטיבית (IEI) ומדד אנרגיה קיבולית (CEI): מדדים אלו מספקים מידע על דרישות השראות והקיבול של הממיר ליחידת הספק (ראה משוואות 3 ו-4), אשר קשורות קשר הדוק לגודל ולעלות הסופיים של הרכיב. . ניתן לחשב IEI באמצעות נוסחה (3):
ניתן להעריך CEI באמצעות משוואה (4):
אינדקס כוח מיתוג כולל (TSP): TSP משווה את מתח המתח והזרם לכל תא כוח (בדומה לאזור המקביל לסיליקון) של ממיר סמיקונדקטור התקן. TSP קשור קשר הדוק לעלות הסופית של מכשיר הסיליקון בממיר. TSP ניתן לחשב באמצעות משוואה (5):
יעילות (ƞ): יעילות (ƞ): יעילות משמשת להשוואת האנרגיה שאבדה במעגלי תיקון מקדם הספק. ניתן להסיק את היעילות על ידי חישוב היחס בין הספק המבוא הנצרך על ידי המעגל לבין ההספק הזמין במוצא (ראה משוואה 5). הוא מציין את הטופולוגיה עם צריכת החשמל הנמוכה ביותר. ניתן להעריך את היעילות באמצעות משוואה (6):
תוצאות השוואה בין PFC לקוטם קוטב ו-PFC של חיזוק Interleaved
הבדיקה הראשונה מדמה את כל שלוש הטופולוגיות עבור יישום של 300W, רמת הספק המשמשת בדרך כלל עבור ספקי כוח למחשבים. הבדיקה השנייה דימה את הטופולוגיה ביישום של 3kW, רמת הספק גבוהה המשמשת בדרך כלל ביישומים כגון טעינת רכב חשמלי.
ניתן לגזור מאפיינים משותפים של כל טופולוגיה מהשוואת טופולוגיה. עם זאת, הביצועים של עיצובים אלה תלויים מאוד במכשיר הנבחר ובפרמטרי הפעולה שלו. לכן, מעצבים חייבים לחשוב היטב, לבחור עיצוב בצורה רציונלית, ולבצע אופטימיזציה קפדנית עבור היישום. כדי להמחיש זאת, אנו מנתחים את אובדן החשמל בהתחשב רק בהפסדי מכשירים, ניתן להשתמש במכשירים דומים עבור כל הטופולוגיות.
יתרונות הכוח של PFC לקוטם
הממצא המרכזי הראשון בהשוואת הטופולוגיה הוא שה-PFC הפולטוטם אינו מכיל גשר מיישר, ובכך מפחית את מספר התקני המיתוג. גשר הדיודה בממיר ההגברה פועל תמיד, ולכן הפסדי הולכה הם הגורם המרכזי המשפיע על היעילות של טופולוגיה זו. בהספק נמוך, הזרם בממיר קטן יחסית, ולכן רוב פיזור ההספק מתרחש במהלך פעולות המיתוג. זו הסיבה לטופולוגיות PFC בוסט ובטוטם בעלות יעילות דומה ביישומי 300W (ראה איור 4). ההפסדים בעיצובים קונבנציונליים ומשולבים של עמודי טוטם אינם שונים בהרבה, ולמען הפשטות אנו משווים את היעילות בין ממיר דחיפה משולב לממיר עמוד טוטם.
איור 4: הפסקת חשמל בעיצוב של 300W
כאשר פועלים ב-3kW, הזרם במעגל גדל באופן משמעותי, וקיים אובדן הולכה משמעותי בטופולוגיית הבוסט עקב ההתנגדות המקבילה הגבוהה בדיודות המיישרים. לכן, ביישומים בעלי הספק גבוה, PFCs עם עמודי טוטם יעילים הרבה יותר (ראה איור 5).
איור 5: אובדן כוח בעיצוב של 3kW
שיפורי יעילות עבור טופולוגיות דחיפה משולבות וטופולוגיות PFC עם טוטם
נקודת מפתח נוספת בהשוואה של טופולוגיות PFC בוסט וטוטם-פול היא השוואת מצבי פעולה. טופולוגיות של קוטב טוטם פועלות בדרך כלל במצב הולכה רציפה (CCM), בעוד שטופולוגיות דחיפה משולבות פועלות במצב הולכה קריטית (CrCM). פעולת CCM יכולה להפחית באופן משמעותי משרן אדוות זרם ו-THDI, בעוד ש-CrCM גורם לאינדקס אנרגיה אינדוקטיבי נמוך יותר (IEI) עקב השראות הדרושות הקטן יותר (ראה איור 6).
איור 6: קלט תוצאות הדמיית זרם
עם זאת, ה-THDI המוגבר אומר שה-Boost PFC דורש מסנן קלט גדול יותר כדי לעמוד בדרישות איכות החשמל, מה שמפחית את היתרונות של ביטול הצורך ב- משרן, כגון הפחתת עלות וגודל. יתר על כן, זרם המיתוג ב-CrCM גדול בהרבה מזה שב-CCM, מה שמגביר את מתח המתח והזרם על אלמנט המיתוג (ראה איור 7).
איור 7: תוצאות סימולציה של הזרם הזורם דרך המשרן
מקביל של ממירים מרובים יכולים להפיץ את הלחץ הנוכחי על פני מספר שלבים, ולשפר את הביצועים. כשלעצמו, לא ניתן להשוות את היעילות והביצועים של ממיר דחיפה יחיד שאינו משולב ל-PFC בעל עמוד טוטם. אבל על ידי שזירה של ממירי בוסט מרובים, ניתן לשפר משמעותית את הביצועים. לכן, טופולוגיית הגברת השזירה היא בחירה תקפה עבור יישומי הספק בטווח בינוני, כגון דוגמה של 300W שהוזכרה לעיל (ראה איור 8).
עם זאת, בהספק גבוה, קשה להתאים את היעילות של ממיר הדחיפה המשולב לטופולוגיה של הטוטם. כמו כן, עבור יישומי הספק של 3kW ומעלה, אפילו ממירי עמודי טוטם יכולים להפיק תועלת מחיבורים משולבים. החיבור המשולב מחלק את הזרם בין שני הענפים, ובכך מפחית בחצי את השראות של כל ענף, מה שמרפה את דרישות מיתוג הכוח תוך הפחתת אדוות זרם הכניסה.
איור 8: זרם משרן ב-PFC של דחיפה משולבת
טבלה 2 מסכמת את הפרמטרים השונים של שלוש הטופולוגיות של PFC.
טבלה 2: תוצאות הדמיית השוואת טופולוגיה של PFC
לסיכום
מאמר זה ממחיש את המאפיינים העיקריים של טופולוגיות PFC משולבות בוסט, עמוד טוטם ופול טוטם משולבים באמצעות סימולציה והשוואה של פרמטרים מרכזיים כדי לעזור למעצבים לבחור את הטופולוגיה הטובה ביותר עבור היישום שלהם.
הפשטות של טופולוגיית ה-Boost PFC הופכת אותה לפתרון המועדף על רוב המעצבים. עם זאת, PFCs להגביר פחות יעילים ביישומים בעלי הספק גבוה, כך שבמקרה זה עשויה להיות עדיפה טופולוגיית PFC בקוטב טוטם למרות המורכבות הנוספת. יתרה מזאת, הצגת בקר משולב עם עמוד טוטם כמו MPF32010 יכולה לפשט מאוד את היישום של ממירי PFC עם עמוד טוטם.