Qual è il tipo di pfc nell'alimentatore. Il dispositivo degli alimentatori del computer e il metodo per testarli

19.06.2019 Recensioni

PFC (Power Factor Correction) si traduce come "Power Factor Correction", anche il nome "compensazione della potenza reattiva". Per quanto riguarda gli alimentatori switching (solo questo tipo di alimentazione è attualmente utilizzato nelle unità di sistema informatico), con questo termine si intende la presenza di un corrispondente insieme di elementi circuitali nell'alimentatore, detto anche "PFC". Questi dispositivi sono progettati per ridurre la potenza reattiva consumata dall'alimentatore.

In realtà, il fattore o fattore di potenza è il rapporto tra potenza attiva (potenza consumata irrimediabilmente dall'alimentatore) e piena potenza, ad es. alla somma vettoriale di potenza attiva e reattiva. Infatti, il fattore di potenza (da non confondere con l'efficienza!) è il rapporto tra potenza utile e potenza ricevuta, e più è vicino all'unità, meglio è.
PFC è disponibile in due versioni: passiva e attiva.
Durante il funzionamento, un alimentatore switching senza alcun PFC aggiuntivo consuma energia dalla rete in brevi impulsi, approssimativamente coincidenti con i picchi della sinusoide della tensione di rete.

Il più semplice e quindi il più comune è il cosiddetto PFC passivo, che è un'induttanza convenzionale di induttanza relativamente grande collegata alla rete in serie con l'alimentatore.

PFC passivo attenua in qualche modo gli impulsi di corrente, allungandoli nel tempo - tuttavia, per un serio effetto sul fattore di potenza, è necessaria una grande induttanza, le cui dimensioni non ne consentono l'installazione all'interno di un alimentatore per computer. Il tipico fattore di potenza di un alimentatore con un PFC passivo è solo di circa 0,75.

PFC attivoè un altro alimentatore switching, con una tensione step-up.
La forma della corrente consumata da un alimentatore con un PFC attivo differisce molto poco dal consumo di un carico resistivo convenzionale: il fattore di potenza risultante di un tale alimentatore senza un'unità PFC può raggiungere 0,95 ... 0,98 durante il funzionamento a pieno carico. È vero, al diminuire del carico, il fattore di potenza diminuisce, come minimo, scendendo a circa 0,7 ... 0,75, cioè al livello dei blocchi con PFC passivo. Tuttavia, va notato che i valori di picco del consumo di corrente per le unità con un PFC attivo sono ancora notevolmente inferiori, anche a bassa potenza, rispetto a tutte le altre unità.

Oltre al fatto che il PFC attivo fornisce un fattore di potenza vicino all'ideale, anche, a differenza di quello passivo, migliora il funzionamento dell'alimentatore - stabilizza inoltre la tensione di ingresso dello stabilizzatore principale del blocco - il blocco diventa notevolmente meno sensibile alla tensione di rete ridotta, inoltre quando si utilizza un PFC attivo è abbastanza facile progettare blocchi con un'alimentazione universale di 110 ... 230V, che non richiedono la commutazione manuale della tensione di rete. (Tali alimentatori hanno una caratteristica specifica: il loro funzionamento in combinazione con UPS economici che forniscono un segnale di passaggio quando funzionano a batteria può portare a malfunzionamenti del computer, quindi i produttori consigliano di utilizzare UPS intelligenti in questi casi, che emettono sempre un segnale sinusoidale.)

Inoltre, l'uso di un PFC attivo migliora la risposta dell'alimentatore durante le interruzioni di tensione di rete a breve termine (frazioni di secondo): in tali momenti l'unità funziona a spese dell'energia dei condensatori raddrizzatori ad alta tensione, il efficienza di cui più del doppio. Un altro vantaggio dell'utilizzo di PFC attivo è il livello inferiore di interferenza ad alta frequenza sulle linee di uscita.

Ad esempio, la tensione su 1 gamba del FAN7530 dipende dal divisore montato su R10 e R11 e, di conseguenza, sul condensatore C9.

Cos'è il PFC e perché è necessario

Dispositivi elettronici

PFC ( abbreviazione da correzione del fattore di potenza)- tradotto come "Rifasamento", esiste anche il nome "compensazione della potenza reattiva".

PFC è disponibile in due gusti: passivo e attivo.
Durante il funzionamento, un alimentatore switching senza alcun PFC aggiuntivo consuma energia dalla rete in brevi impulsi, approssimativamente coincidenti con i picchi della sinusoide della tensione di rete.

Il più semplice e quindi il più comune è il cosiddetto PFC passivo, che è un'induttanza convenzionale di induttanza relativamente grande, collegata alla rete in serie con l'alimentatore.

PFC passivo attenua in qualche modo gli impulsi di corrente, allungandoli nel tempo - tuttavia, per una seria influenza sul fattore di potenza, è necessaria una grande induttanza, le cui dimensioni non consentono l'installazione all'interno dell'alimentatore (non c'è differenza nel computer o TV). Il tipico fattore di potenza di un alimentatore con un PFC passivo è solo di circa 0,75.

PFC attivoè un altro alimentatore switching, con una tensione step-up.
Molto spesso viene anche chiamato "swap" o "precondizione"
Come puoi vedere, la forma della corrente consumata dall'alimentatore con PFC attivo, differisce molto poco dal consumo di un carico resistivo convenzionale: il fattore di potenza risultante di tale unità può raggiungere 0,95 ... 0,98 quando funziona a pieno carico.

È vero, al diminuire del carico, il fattore di potenza diminuisce, come minimo, scendendo a circa 0,7 ... 0,75, cioè al livello dei blocchi con PFC passivo... Tuttavia, va notato che i valori di picco del consumo di corrente per le unità con PFC attivo lo stesso, anche a bassa potenza, notevolmente meno rispetto a tutti gli altri blocchi.

a parte quello PFC attivo fornisce un fattore di potenza vicino all'ideale, quindi anche, a differenza del passivo, migliora il funzionamento dell'alimentatore - stabilizza inoltre la tensione di ingresso dello stabilizzatore principale del blocco - il blocco diventa notevolmente meno sensibile alla bassa tensione di rete e quando utilizzando PFC attivo, blocchi con alimentazione universale 110 ... 230V, che non necessitano di commutazione manuale della tensione di rete.

Tali alimentatori hanno una caratteristica specifica: il loro funzionamento in combinazione con UPS economici che forniscono un segnale di passaggio quando funzionano a batteria può portare a malfunzionamenti del computer, pertanto i produttori consigliano di utilizzare in questi casi UPS intelligenti, che emettono sempre un segnale sinusoidale.

Anche utilizzando PFC attivo migliora la risposta dell'alimentatore durante le cadute di tensione di rete a breve termine (frazioni di secondo) - in tali momenti l'unità funziona a spese dell'energia dei condensatori raddrizzatori ad alta tensione, la cui efficienza è più che raddoppiata. Un altro vantaggio dell'utilizzo di PFC attivo è livello inferiore di interferenza ad alta frequenza sulle linee di uscita, ad es. Questi alimentatori sono consigliati per l'uso in un PC con periferiche progettate per funzionare con materiale audio/video analogico.

Ora un po' di teoria

Il solito, classico, circuito di raddrizzamento della tensione a 220 V CA è costituito da un ponte a diodi e un condensatore di livellamento. Il problema è che la corrente di carica del condensatore è di natura pulsata (la durata è di circa 3mS) e, di conseguenza, una corrente molto elevata.

Ad esempio, per un alimentatore con un carico di 200 W, la corrente media dalla rete 220 V sarà 1 A e la corrente impulsiva sarà 4 volte superiore. Se ci sono molti di questi alimentatori e (o) sono più potenti? ... quindi le correnti saranno semplicemente pazze: il cablaggio, le prese non reggeranno e dovrai pagare di più per l'elettricità, perché la qualità del consumo di corrente è molto presa in considerazione.

Ad esempio, le grandi fabbriche hanno banchi di condensatori speciali per compensare il "coseno". Nella moderna tecnologia informatica, hanno affrontato gli stessi problemi, ma nessuno installerà strutture a più piani e sono andati dall'altra parte: un elemento speciale è installato negli alimentatori per ridurre l'"impulso" della corrente consumata - PFC.

Le diverse tipologie sono separate dai colori:

rosso - alimentatore normale senza PFC,
giallo - ahimè, "un normale alimentatore con un PFC passivo",
verde - PSU con PFC passivo di induttanza sufficiente.

Il modello mostra i processi quando l'alimentatore è acceso e un guasto a breve termine dopo 250 mS. Un grande picco in presenza di un PFC passivo si verifica perché troppa energia si accumula nell'induttore quando il condensatore di livellamento si carica. Per combattere questo effetto, l'alimentatore viene gradualmente acceso: prima viene collegato un resistore in serie con l'induttanza per limitare la corrente di avviamento, quindi viene cortocircuitato.

Per un alimentatore senza PFC o con un PFC passivo decorativo, questo ruolo è svolto da uno speciale termistore con una resistenza positiva, ad es. la sua resistenza aumenta notevolmente quando riscaldata. Con una corrente elevata, un tale elemento si riscalda molto rapidamente e la corrente diminuisce, quindi si raffredda a causa di una diminuzione della corrente e non ha alcun effetto sul circuito. Pertanto, il termistore svolge le sue funzioni di limitazione solo a correnti di avviamento molto elevate.

Per i PFC passivi, l'impulso di corrente all'accensione non è così grande e il termistore spesso non svolge la sua funzione di limitazione. Nei normali PFC passivi di grandi dimensioni, oltre a un termistore, è installato anche un circuito speciale, ma in quelli "tradizionali", decorativi, questo non lo è.

E secondo i grafici stessi. Un PFC passivo decorativo fornisce un aumento di tensione, che può portare a un guasto del circuito di alimentazione, la tensione media è leggermente inferiore rispetto al caso senza_PFC e con un'interruzione di corrente a breve termine, la tensione scende di una quantità maggiore rispetto a senza_PFC. A prima vista, un chiaro deterioramento delle proprietà dinamiche. Anche il normale PFC passivo ha le sue caratteristiche. Se non teniamo conto del burst iniziale, che deve essere necessariamente compensato dalla sequenza di commutazione, allora possiamo dire quanto segue:

La tensione di uscita è diminuita. Questo è corretto, perché non è uguale all'ingresso di picco, come per i primi due tipi di alimentatori, ma a quello "operativo". La differenza tra il picco e la recitazione è uguale alla radice di due.
L'ondulazione della tensione di uscita è molto inferiore, poiché alcune delle funzioni di livellamento vengono trasferite all'induttanza.
- Anche il calo di tensione durante le interruzioni di corrente di breve durata è inferiore per lo stesso motivo.
- Dopo l'errore, segue uno splash. Questo è uno svantaggio molto significativo ed è il motivo principale per cui i PFC passivi non sono comuni. Questo picco si verifica per lo stesso motivo per cui si verifica all'accensione, ma per il caso dell'accensione iniziale, un circuito speciale può correggere qualcosa, quindi è molto più difficile farlo durante il funzionamento.
- Con una perdita a breve termine della tensione di ingresso, l'uscita non cambia così bruscamente come in altre versioni dell'alimentatore. Questo è molto prezioso perché una lenta variazione di tensione, il circuito di controllo dell'alimentatore funziona molto bene e non ci saranno interferenze all'uscita dell'alimentatore.

Per altre versioni dell'alimentatore, con tali guasti alle uscite dell'alimentatore, l'interferenza andrà sicuramente, il che potrebbe influire sull'affidabilità del funzionamento. Quanto sono frequenti le interruzioni di corrente a breve termine? Secondo le statistiche, il 90% di tutte le situazioni non standard con una rete a 220 V ricade proprio in un caso del genere. La principale fonte di eventi è la commutazione nel sistema di alimentazione e il collegamento di potenti consumatori.

La figura mostra l'efficienza del PFC nel ridurre gli impulsi di corrente:

Per un alimentatore senza PFC, la corrente raggiunge 7,5 A, il PFC passivo la riduce di 1,5 volte e il normale PFC riduce la corrente molto di più.

Tecnologia di conversione

introduzione

Negli ultimi decenni, il numero di dispositivi elettronici utilizzati in casa, in ufficio e negli ambienti di produzione è aumentato notevolmente e la maggior parte dei dispositivi utilizza alimentatori a commutazione. Tali sorgenti generano distorsioni armoniche e di corrente armoniche che influiscono negativamente sul cablaggio della rete e degli apparecchi elettrici ad essa collegati. Questa influenza si esprime non solo in diversi tipi interferenza che influenzano il funzionamento di dispositivi sensibili, ma anche in surriscaldamento della linea neutra. Quando nei carichi fluiscono correnti con componenti armoniche significative sfasate rispetto alla tensione, la corrente nel conduttore di neutro (che è praticamente nulla a carico simmetrico) può aumentare fino a un valore critico.

La Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) e l'Organizzazione Europea per la Standardizzazione Elettrotecnica (CENELEC) hanno adottato gli standard IEC555 e EN60555, che fissano limiti al contenuto armonico della corrente di ingresso di alimentatori secondari, carichi elettronici di lampade fluorescenti, driver per motori DC e dispositivi simili.

Uno dei modi più efficaci per risolvere questo problema è utilizzare la correzione del fattore di potenza (PFC). In pratica, ciò significa che uno speciale circuito PFC deve essere incluso nel circuito di ingresso di quasi tutti i dispositivi elettronici con convertitori di impulsi per ridurre o eliminare completamente le armoniche di corrente.

Rifasamento

Un tipico alimentatore switching è costituito da un raddrizzatore di rete, un condensatore di livellamento e un convertitore di tensione. Tale sorgente consuma energia solo quando la tensione fornita dal raddrizzatore al condensatore di livellamento è superiore alla tensione ai suoi capi (condensatore), che si verifica per circa un quarto del periodo. Il resto del tempo, la sorgente non consuma energia dalla rete, poiché il carico è alimentato da un condensatore. Ciò porta al fatto che la potenza viene assorbita dal carico solo al picco di tensione, la corrente consumata ha la forma di un breve impulso e contiene un insieme di componenti armoniche (vedi Fig. 1).

Un alimentatore secondario con correzione del fattore di potenza consuma corrente con bassa distorsione armonica, assorbe potenza dalla rete in modo più uniforme e ha un fattore di cresta (il rapporto tra il valore di picco della corrente e il suo valore efficace) inferiore a quello di una sorgente non corretta . La correzione del fattore di potenza riduce l'assorbimento di corrente RMS, che consente di collegare più dispositivi alla stessa presa senza creare sovracorrenti sulla rete (vedere la Figura 2).

Fattore di potenza

Power Factor PF è un parametro che caratterizza le distorsioni create dal carico (nel nostro caso, l'alimentazione secondaria) nella rete AC. Esistono due tipi di distorsione: armonica e non lineare. La distorsione armonica è causata da un carico reattivo ed è uno sfasamento tra corrente e tensione. Le distorsioni armoniche sono introdotte nella rete da carichi "non lineari". Questa distorsione è espressa come la deviazione della forma d'onda di corrente o tensione da una sinusoide. quando distorsione armonica il fattore di potenza è il coseno della differenza di fase tra corrente e tensione o il rapporto tra potenza attiva e potenza totale consumata dalla rete. Per distorsione non lineare il fattore di potenza è pari alla frazione della potenza della prima componente armonica della corrente nella potenza totale consumata dal dispositivo. Può essere considerato un indicatore di quanto uniformemente il dispositivo consuma energia dalla rete.

Generalmente il fattore di potenza è il prodotto del coseno della differenza di fase tra tensione e corrente e il coseno dell'angolo tra il vettore fondamentale e il vettore corrente totale. Il ragionamento che segue porta a questa definizione. La corrente effettiva che scorre nel carico attivo ha la forma:

I 2 eff = I 2 0 + I 2 1 eff + SI 2 ne eff,

dove I 2 neff è una componente costante (nel caso di tensione sinusoidale è uguale a zero), I 2 1 eff è l'armonica fondamentale, e sotto il segno di somma si trovano le armoniche meno significative. Quando si lavora su un carico reattivo, in questa espressione compare un componente reattivo, che assume la forma:

I 2 eff = I 2 0 + (I 2 1 eff (P) + I 2 1 eff (Q)) + SI 2 ne eff. La potenza attiva è la media su un periodo di potenza assegnata a un carico attivo.

Può essere rappresentato come il prodotto della tensione effettiva per la componente attiva della corrente P = U eff H I 1 eff (P). Fisicamente, questa è l'energia rilasciata sotto forma di calore per unità di tempo sulla resistenza attiva. La potenza reattiva è intesa come il prodotto della tensione effettiva e della componente della corrente reattiva: Q = U eff Ch I 1 eff (Q). Il significato fisico è energia che viene pompata due volte per periodo dal generatore al carico e due volte dal carico al generatore. La potenza totale è il prodotto della tensione efficace e della corrente efficace totale: S = U eff Ch I eff (totale). Sul piano complesso si può rappresentare come la somma dei vettori P e Q, da cui si vede la dipendenza I 2 = I 1eff (totale) cos j, dove j è l'angolo tra i vettori P e Q, che caratterizza anche la differenza di fase tra la corrente e la tensione nel circuito.

Sulla base di quanto sopra, deriviamo la definizione per il fattore di potenza:

PF = P / S = (I 1eff cos j) / (I eff (totale)).

Vale la pena notare che il rapporto (I 1eff) / (I eff (totale)) è il coseno dell'angolo tra i vettori corrispondenti al valore effettivo della corrente totale e il valore effettivo della sua prima armonica. Se designiamo questo angolo q, allora l'espressione per il fattore di potenza assume la forma: PF = cos j H cos q. Il compito del rifasamento è avvicinare a zero l'angolo dello sfasamento j tra tensione e corrente, nonché l'angolo q delle distorsioni armoniche della corrente consumata (o, in altre parole, portare la forma d'onda della corrente il più vicino possibile a una sinusoide e per compensare il più possibile lo sfasamento).

Il fattore di potenza è espresso come una frazione decimale, il cui valore varia da 0 a 1. Il suo valore ideale è uno (per confronto, un tipico alimentatore switching senza correzione ha un valore del fattore di potenza di circa 0,65), 0,95 è un buon valore ; 0,9 - soddisfacente; 0,8 - insoddisfacente. L'applicazione della correzione del fattore di potenza può aumentare il fattore di potenza del dispositivo da 0,65 a 0,95. I valori nell'intervallo 0,97 ... 0,99 sono abbastanza reali. Idealmente, quando il fattore di potenza è unitario, il dispositivo preleva dalla rete una corrente sinusoidale con sfasamento nullo rispetto alla tensione (che corrisponde a un carico completamente resistivo con caratteristica lineare corrente-tensione).

Rifasamento passivo

Il metodo di correzione passiva viene spesso utilizzato in dispositivi economici a bassa potenza (dove non ci sono requisiti rigorosi per l'intensità delle armoniche di corrente meno significative). La correzione passiva raggiunge un valore del fattore di potenza di circa 0,9. Questo è conveniente nel caso in cui l'alimentatore sia già stato sviluppato, resta solo da creare un filtro adatto e includerlo nel circuito all'ingresso.

Il rifasamento passivo consiste nel filtrare il consumo di corrente con un filtro passabanda LC. Questo metodo ha diverse limitazioni. Un filtro LC può essere efficace come correttore del fattore di potenza solo se la tensione, la frequenza e il carico variano entro un intervallo ristretto.... Poiché il filtro deve operare nella gamma delle basse frequenze (50/60 Hz), i suoi componenti sono grandi, pesanti e fattore di bassa qualità(cosa non sempre accettabile). in primo luogo, il numero di componenti nell'approccio passivo è molto inferiore e, quindi, l'MTBF è maggiore, e in secondo luogo, con la correzione passiva si generano meno interferenze elettromagnetiche e di contatto rispetto alla correzione attiva.

Rifasamento attivo

Un correttore del fattore di potenza attivo deve soddisfare tre condizioni:

1) La forma della corrente consumata dovrebbe essere il più vicino possibile a sinusoidale e - "in fase" con la tensione. Il valore istantaneo della corrente consumata dalla sorgente dovrebbe essere proporzionale alla tensione istantanea della rete.

2) La potenza prelevata dalla sorgente deve rimanere costante anche al variare della tensione di rete. Ciò significa che quando la tensione di rete diminuisce, la corrente di carico deve essere aumentata e viceversa.

3) La tensione all'uscita del correttore PFC non dovrebbe dipendere dall'entità del carico. Con una diminuzione della tensione attraverso il carico, la corrente che lo attraversa deve essere aumentata e viceversa.

Esistono diversi schemi che possono essere utilizzati per implementare la correzione del fattore di potenza attiva. Il più popolare al momento è il circuito "boost converter". Questo circuito soddisfa tutti i requisiti per i moderni alimentatori. in primo luogo, consente di lavorare in reti con diversi valori della tensione di alimentazione (da 85 a 270 V) senza restrizioni e senza ulteriori regolazioni. secondo, è meno suscettibile alle deviazioni dei parametri elettrici della rete (sbalzi di tensione o interruzioni di breve durata). Un altro vantaggio di questo circuito è l'implementazione più semplice della protezione da sovratensione. Un circuito semplificato "up-converter" è mostrato in fig. 3.

Principio di funzionamento

Il correttore del fattore di potenza standard è un convertitore AD/DC con modulazione a modulazione di larghezza di impulso (PWM). Il modulatore comanda un potente interruttore (solitamente MOSFET), che converte la tensione di rete diretta o raddrizzata in una sequenza di impulsi, dopo aver raddrizzato i quali si ottiene in uscita una tensione costante.

I diagrammi temporali del funzionamento del correttore sono mostrati in Fig. 4. Quando l'interruttore MOSFET è acceso, la corrente nell'induttanza aumenta linearmente, mentre il diodo è chiuso e il condensatore C2 viene scaricato sul carico. Quindi, quando il transistor si spegne, la tensione ai capi dell'induttore "apre" il diodo e l'energia immagazzinata nell'induttore carica il condensatore C2 (e contemporaneamente alimenta il carico). Nel circuito di cui sopra (a differenza della sorgente senza correzione) il condensatore C1 ha una bassa capacità e serve a filtrare le interferenze ad alta frequenza. La frequenza di conversione è 50 ... 100 kHz. Nel caso più semplice, il circuito funziona con un ciclo di lavoro costante. Esistono modi per aumentare l'efficienza della correzione modificando dinamicamente il ciclo di lavoro (facendo corrispondere il ciclo con l'inviluppo di tensione dal raddrizzatore di rete).

Il circuito "up-converter" può funzionare in tre modalità: continuo , discreto e il cosiddetto " modalità di conducibilità critica". V discreto modalità durante ogni periodo, la corrente di induttanza ha il tempo di "scendere" a zero e dopo un po' riprende ad aumentare, e in continuo- la corrente, non avendo il tempo di azzerarsi, riprende ad aumentare. Modalità conducibilità critica usato meno spesso dei due precedenti. È più difficile da implementare. Il suo significato è che il MOSFET si apre nel momento in cui la corrente dell'induttore raggiunge lo zero. Questa modalità semplifica la regolazione della tensione di uscita.

La scelta della modalità dipende dalla potenza di uscita richiesta dall'alimentatore. Nei dispositivi con una potenza superiore a 400 W, viene utilizzata una modalità continua e nei dispositivi a bassa potenza una modalità discreta. La correzione del fattore di potenza attiva consente di raggiungere valori di 0,97 ... 0,99 con un THD (Total Harmonic Distortion) nel range di 0,04 ... 0,08.

Non è un segreto che uno dei blocchi principali di un computer sia alimentatore... Al momento dell'acquisto rivolgiamo la nostra attenzione a diverse caratteristiche: la potenza massima dell'unità, le caratteristiche del sistema di raffreddamento e il livello di rumorosità. Ma non tutti fanno la domanda cos'è il PFC??

Quindi, vediamo cosa offre PFC

Per quanto riguarda gli alimentatori switching (solo questo tipo di alimentatore è attualmente utilizzato nelle unità di sistema informatico), con questo termine si intende la presenza di un corrispondente insieme di elementi circuitali nell'alimentatore.

Correzione del fattore di potenza- tradotto come "Rifasamento", esiste anche il nome "compensazione della potenza reattiva".

Il più semplice e quindi il più comune è il cosiddetto PFC passivo, che è un'induttanza convenzionale di induttanza relativamente grande, collegata alla rete in serie con l'alimentatore.

PFC attivoè un altro alimentatore switching, con una tensione step-up.
Come puoi vedere, la forma della corrente consumata dall'alimentatore con PFC attivo, differisce molto poco dal consumo di un carico resistivo convenzionale: il fattore di potenza risultante di tale unità può raggiungere 0,95 ... 0,98 quando funziona a pieno carico.

a parte quello PFC attivo fornisce vicino al fattore di potenza ideale, quindi anche, a differenza di quello passivo, migliora il funzionamento dell'alimentatore - stabilizza inoltre la tensione di ingresso dello stabilizzatore principale del blocco - il blocco diventa notevolmente meno sensibile alla bassa tensione di rete e quando si utilizza PFC attivo, blocchi con alimentazione universale 110...230V, che non necessitano di commutazione manuale della tensione di rete.

Tali alimentatori hanno una caratteristica specifica: il loro funzionamento in combinazione con UPS economici che forniscono un segnale di passaggio quando funzionano a batteria. potrebbe causare il malfunzionamento del computer, quindi i produttori consigliano di utilizzare in questi casi UPS intelligenti che emette sempre un segnale sinusoidale.

Anche utilizzando PFC attivo migliora la risposta dell'alimentatore durante le cadute di tensione di rete a breve termine (frazioni di secondo) - in tali momenti l'unità funziona a spese dell'energia dei condensatori raddrizzatori ad alta tensione, la cui efficienza è più che raddoppiata. Un altro vantaggio dell'utilizzo di PFC attivo è livello inferiore di interferenza ad alta frequenza sulle linee di uscita, ad es. Questi alimentatori sono consigliati per l'uso in un PC con periferiche progettate per funzionare con materiale audio/video analogico.

Ora un po' di teoria

Le diverse tipologie sono separate dai colori:

rosso - alimentatore normale senza PFC,
giallo - ahimè, "un normale alimentatore con un PFC passivo",
verde - PSU con PFC passivo di induttanza sufficiente.

La figura mostra l'efficienza del PFC nel ridurre gli impulsi di corrente:

Per un alimentatore senza PFC, la corrente raggiunge 7,5 A, il PFC passivo la riduce di 1,5 volte e il normale PFC riduce la corrente molto di più.

Ciao di nuovo!..
Sfortunatamente, il mio articolo è stato ritardato, tk. c'era un progetto urgente per il lavoro, ed è apparso anche difficoltà interessanti quando si implementa un correttore del fattore di potenza ( ulteriore KKM). E sono stati causati da quanto segue: nella nostra produzione utilizziamo un microcircuito "personalizzato" per controllare il KKM, che per i nostri compiti è prodotto da un'amica Austria soprattutto nel 1941 e, di conseguenza, non possiamo trovarlo in vendita. Pertanto, è nato il compito di rifare questo modulo per la base elementare disponibile e la mia scelta è caduta sul microcircuito del controller PWM - L6561.
Perché proprio lei? Accessibilità banale, o meglio trovata in "Chip & Dip", ho letto la scheda tecnica - mi è piaciuto. Ho ordinato 50 pezzi in una volta, perché più economico e nei miei progetti amatoriali ho già diversi compiti per lei.

Ora sulla cosa principale: in questo articolo, ti dirò come mi sono ricordato quasi da zero del design dei convertitori a ciclo singolo ( sembrerebbe, cosa hanno a che fare con questo?), perché ha ucciso una dozzina di chiavi e come evitarlo per te. Questa parte dirà la teoria e cosa succede se la trascuri. L'implementazione pratica verrà rilasciata nella parte successiva, come promesso, insieme a caricabatterie da sono essenzialmente un modulo e devono essere testati insieme.
Guardando avanti, dirò che per la prossima parte ho già preparato un paio di dozzine di foto e video, dove la mia memoria non è per molto "riqualificato" prima nella saldatrice e poi nell'alimentatore per "Capra"... Chi lavora in produzione capirà che tipo di animale è e quanto consuma per tenerci al caldo)))

E ora ai nostri montoni...

Perché abbiamo bisogno di questo KKM?

La stessa cosa problemi Un raddrizzatore "classico" con condensatori di accumulo (questa è la cosa che converte 220 V CA a + 308 V CC), che funziona su una corrente sinusoidale, è che questo stesso condensatore viene caricato (prende energia dalla rete) solo nei momenti in cui la tensione si applica a lui più che a se stesso.

Non leggere nel linguaggio umano, i deboli di cuore e con lauree scientifiche

Come sappiamo, la corrente elettrica si rifiuta completamente di andare se non c'è differenza di potenziale. La direzione del flusso di corrente dipenderà anche dal segno di questa differenza! Se sei andato fuori di testa e hai deciso di provare a caricare il tuo cellulare con una tensione di 2 V, dove la batteria agli ioni di litio è progettata per 3,7 V, non ne verrà fuori nulla. Perché la corrente sarà data dalla sorgente che ha il potenziale più alto, e quella con il potenziale più basso riceverà energia.
Tutto è come nella vita! Pesi 60 kg e il ragazzo per strada che è venuto a chiedere di chiamare 120 kg - è chiaro che distribuirà le fighe e le riceverai. Quindi anche qui - una batteria con i suoi 60 kg 2V non sarà in grado di fornire corrente alla batteria da 120 kg 3,7V. Con un condensatore allo stesso modo, se ha + 310 V e gli applichi + 200 V, rifiuterà di ricevere corrente e non verrà caricato.

Vale anche la pena notare che in base alla "regola" sopra descritta, il tempo assegnato al condensatore per la ricarica sarà molto piccolo. La nostra corrente cambia secondo una legge sinusoidale, che significa la tensione richiesta sarà solo ai picchi della sinusoide! Ma il condensatore deve funzionare, quindi si innervosisce e cerca di caricarsi. Conosce le leggi della fisica, a differenza di alcuni, e "capisce" che il tempo è breve e quindi inizia proprio in questi momenti, quando la tensione è al suo apice, a consumare solo una corrente enorme. Dopotutto, dovrebbe essere sufficiente far funzionare il dispositivo fino al picco successivo.

Un po 'di queste "vette":

Figura 1 - Picchi di carica del condensatore

Come possiamo vedere, una parte del periodo in cui l'EMF assume un valore sufficiente per la carica (in senso figurato 280-310V) è circa il 10% del periodo totale nella rete AC. Si scopre che invece di prelevare costantemente energia dalla rete senza intoppi, la estraiamo solo in piccoli episodi, quindi "sovraccarichiamo" la rete. Con una potenza di 1 kW e un carico induttivo, la corrente al momento di tali "picchi" può tranquillamente raggiungere valori a 60-80A.

Pertanto, il nostro compito si riduce a garantire un'estrazione uniforme di energia dalla rete, in modo da non sovraccaricare la rete! È KKM che ci consentirà di implementare questo compito nella pratica.

Chi è questo tuo KKM?

correttore di potenza- Questo è un comune convertitore di tensione step-up, il più delle volte è single-ended. Perché usiamo la modulazione PWM, quindi al momento della chiave aperta la tensione ai capi del condensatore è costante. Se stabilizziamo la tensione di uscita, la corrente prelevata dalla rete è proporzionale alla tensione di ingresso, cioè cambia uniformemente secondo una legge sinusoidale senza picchi e picchi di consumo descritti in precedenza.

Circuiti del nostro KKM

Poi ho deciso di non cambiare i miei principi e mi sono affidato anche alla scheda tecnica del controller che ho selezionato - L6561... Ingegneri aziendali STMicroelectronics ha già fatto tutto per me e, più precisamente, ha già sviluppato il circuito ideale per il suo prodotto.
Sì, posso contare tutto da zero e dedicare un giorno o due a questo lavoro, cioè tutti i miei già rari fine settimana, ma la domanda è perché? Per dimostrare a me stesso che posso, questa fase, fortunatamente, è stata superata da tempo)) Qui ricordo un aneddoto barbuto sull'area delle palline rosse, dicono che un matematico applica una formula e un ingegnere tira fuori un tavolo con un'area di palline rosse ... Così è in questo caso.

Ti consiglio di prestare subito attenzione al fatto che il circuito nella scheda tecnica è progettato per 120 W, il che significa che dovremmo adattarsi ai nostri 3 kW e stress da lavoro esorbitanti.

Ora un po' di documentazione per quella sopra descritta:
Scheda tecnica per L6561

Se guardiamo a pagina 6, vedremo diversi diagrammi, siamo interessati a un diagramma con una firma Rete ad ampio raggio cosa significa Basurmansky "Per il funzionamento in un'ampia gamma di tensioni di alimentazione" ... Era questa “modalità” che avevo in mente quando parlavo dei voltaggi esorbitanti. Il dispositivo è considerato universale, ovvero può funzionare da qualsiasi rete standard (ad esempio, negli stati a 110 V) con un intervallo di tensione di 85 - 265 V.

Questa soluzione ci permette di dotare il nostro UPS di una funzione di stabilizzatore di tensione! Per molti un tale intervallo sembrerà eccessivo e quindi possono eseguire questo modulo, tenendo conto della tensione di alimentazione di 220V + - 15%. Questa è considerata la norma e il 90% dei dispositivi nella categoria di prezzo fino a 40 mila rubli è generalmente privo di KKM e il 10% lo utilizza solo con il calcolo di deviazioni non superiori al 15%. Questo ti permette indubbiamente di ridurre un po' il costo e le dimensioni, ma se non te lo sei ancora dimenticato, allora stiamo realizzando un dispositivo che è obbligato a competere con ARS!

Pertanto, per me stesso, ho deciso di scegliere l'opzione più corretta e realizzare un serbatoio non abbattibile che può essere estratto anche in campagna, dove c'è una saldatrice da 100 V o una pompa nel pozzo nella rete:

Figura 2 - Soluzione schematica standard proposta da ST

Adattamento di circuiti standard per i nostri compiti

a) Quando guardo questo diagramma da LH, la prima cosa che mi viene in mente è è necessario aggiungere un filtro di modo comune! E questo è corretto, dal momento che ad alta potenza, "faranno impazzire" l'elettronica. Per correnti di 15 A e oltre, avrà un aspetto più complicato di quello che molti sono abituati a vedere negli stessi alimentatori per computer, dove ci sono solo 500-600 watt. Pertanto, questa revisione sarà un elemento separato.

B) Vediamo il condensatore C1, puoi prendere una formula complicata e calcolare la capacità richiesta, e consiglio a chi vuole approfondire questo, ricordando in un corso l'ingegneria elettrica del 2 ° anno di qualsiasi politecnico. Ma non lo farò, perché secondo le mie stesse osservazioni da vecchi calcoli, ricordo che fino a 10 kW questa potenza cresce quasi linearmente rispetto all'aumento di potenza. Cioè, tenendo conto di 1 μF per 100 W, otteniamo che per 3000 W abbiamo bisogno di 30 μF. Questo contenitore è facilmente reclutabile da 7 condensatori a film da 4,7 μF e 400 V ciascuno. Anche un po' con un margine, perché la capacità di un condensatore è fortemente dipendente dalla tensione applicata.

C) Abbiamo bisogno di un transistor di potenza serio, perché la corrente consumata dalla rete sarà calcolata come segue:

Figura 3 - Calcolo della corrente nominale per PFC

Noi abbiamo 41.83A... Ora ammettiamo onestamente che non saremo in grado di mantenere la temperatura del cristallo del transistor nella regione di 20-25 ° C. Piuttosto, possiamo sopraffare, ma sarà costoso per tale potere. Dopo 750 kW, il costo del raffreddamento con freon o ossigeno liquido viene eroso, ma finora questo è tutt'altro))) Pertanto, dobbiamo trovare un transistor in grado di fornire 45-50 A a una temperatura di 55-60 ° C.

Dato che c'è un'induttanza nel circuito, preferirei IGBT transistor, per i più tenaci. La corrente limite deve essere selezionata per la ricerca prima di circa 100A, perché questa è una corrente a 25 ° C, con un aumento della temperatura, la corrente di commutazione limite del transistor diminuisce.

Un po' di Cree FET

Ho ricevuto letteralmente il 9 gennaio un pacco dagli Stati Uniti dal mio amico con un mucchio di diversi transistor per un test, questo miracolo si chiama - CREE FET... Non dirò che questa è una nuova mega tecnologia, infatti, i transistor a base di carburo di silicio sono stati realizzati negli anni '80, hanno solo ricordato perché solo ora. Come primo scienziato dei materiali e compositore in generale, sono scrupoloso in questo settore, quindi ero molto interessato a questo prodotto, soprattutto perché 1200V è stato dichiarato a decine e centinaia di ampere. Non potevo comprarli in Russia, quindi mi sono rivolto al mio ex compagno di classe e lui mi ha gentilmente inviato un mazzo di campioni e una tavola di prova con forward.
Posso dire una cosa: erano i miei fuochi d'artificio più cari!
8 tasti hanno fatto una cazzata così tanto che sono rimasto arrabbiato per molto tempo ... In effetti, 1200V è una cifra teorica per la tecnologia, i 65A dichiarati si sono rivelati solo una corrente impulsiva, sebbene la documentazione indicasse chiaramente la velocità nominale. Apparentemente c'era una "corrente d'impulso nominale" o qualsiasi altra cosa i cinesi si inventassero. In generale, è ancora una stronzata, ma ce n'è una MA!
Quando l'ho fatto CMF10120D un correttore per 300 W, si è scoperto che sullo stesso radiatore e circuito aveva una temperatura di 32 ° C contro 43 per un IGBT, e questo è molto significativo!
Conclusione su CREE: la tecnologia è umida, ma è promettente e lo sarà sicuramente.

Di conseguenza, dopo aver sfogliato i cataloghi delle mostre che ho visitato (una cosa utile tra l'altro, ala ricerca parametrica), ho scelto due chiavi, sono diventate - IRG7PH50 e IRGPS60B120... Entrambi sono a 1200V, entrambi a 100 + A, ma dopo aver aperto la scheda tecnica, la prima chiave è stata eliminata immediatamente: è in grado di commutare una corrente di 100A solo a una frequenza di 1 kHz, per il nostro compito è disastroso. Il secondo interruttore è a 120 A e una frequenza di 40 kHz, che è abbastanza adatto. Guarda la scheda tecnica al link sottostante e cerca un grafico con la dipendenza della corrente dalla temperatura:

Figura 4.1 - Grafico con la dipendenza della corrente massima dalla frequenza di commutazione per IRG7PH50, lasciamo fare al convertitore di frequenza

Figura 4.2 - Grafico con corrente di esercizio ad una data temperatura per IRGPS60B120

Qui osserviamo le care figure che ci mostrano che a 125 °C sia il transistor che il diodo supereranno tranquillamente le correnti di poco più di 60A, mentre potremo implementare la conversione ad una frequenza di 25 kHz senza problemi e restrizioni.

D) Diodo D1, dobbiamo scegliere un diodo con una tensione di esercizio di almeno 600V e una corrente nominale per il nostro carico, cioè 45A. Ho deciso di usare quei diodi che avevo a portata di mano (non molto tempo fa li ho acquistati per lo sviluppo di un saldatore sotto il "ponte obliquo") questo è - VS-60EPF12... Come puoi vedere dalla marcatura, è a 60A e 1200V. Scommetto tutto con un margine, tk. questo prototipo è fatto per me e mi sento così più calmo.
Puoi effettivamente mettere un diodo per 50-60A e 600V, ma non c'è prezzo tra la versione 600 e 1200V.

E) Condensatore C5, tutto è uguale al caso di C1 - è sufficiente aumentare il valore nominale dal foglio dati in proporzione alla potenza. Tieni solo presente che se stai progettando un carico induttivo potente o dinamico con rapidi incrementi di potenza (ala un amplificatore da concerto da 2 kW), allora è meglio non risparmiare su questo punto.
metterò la mia versione 10 elettroliti da 330 μF e 450 V ciascuno, se prevedi di alimentare un paio di computer, router e altre sciocchezze, puoi limitarti a 4 elettroliti da 330 uF e 450 V ciascuno.

E) R6 - è uno shunt di corrente, ci salverà da mani storte ed errori accidentali, protegge anche il circuito da cortocircuiti e sovraccarichi. La cosa è decisamente utile, ma se agiamo come ingegneri della ST, allora a correnti di 40 A otterremo una normale caldaia. Ci sono 2 opzioni: un trasformatore di corrente o uno shunt di fabbrica con una caduta di 75 mV + amplificatore operazionale ala LM358.
La prima opzione è più semplice e fornisce un isolamento galvanico di questo nodo del circuito. Come calcolare il trasformatore di corrente che ho fornito nell'articolo precedente, è importante ricordarlo la protezione funzionerà quando la tensione sulla gamba 4 sale a 2,5 V (in realtà, fino a 2,34 V).
Conoscendo questa tensione e corrente del circuito, usando le formule da parte 5 puoi facilmente calcolare il trasformatore di corrente.

G) E l'ultimo punto è il power choke. Di lui sotto.

Induttanza di potenza e suo calcolo

Se qualcuno ha letto attentamente i miei articoli e ha un'ottima memoria, allora dovrebbe ricordare articolo 2 e foto n. 5, su di esso puoi vedere 3 elementi delle bobine che usiamo. Te lo mostro di nuovo:

Figura 5 - Telai e nucleo per prodotti a bobina di potenza

In questo modulo utilizzeremo ancora i nostri anelli toroidali preferiti in ferro polverizzato, ma questa volta non uno, ma 10 alla volta! Come vuoi? 3 kW non sono un artigianato cinese...

Abbiamo i dati iniziali:
1) Corrente - 45A + 30-40% per l'ampiezza nell'induttanza, totale 58,5A
2) Tensione di uscita 390-400V
3) tensione di ingresso 85-265 V CA
4) Nucleo - materiale -52, D46
5) Liquidazione - distribuita

Figura 6 - E ancora una volta caro Starichok51 ci fa risparmiare tempo e lo considera un programma CaclPFC

Penso che il calcolo abbia mostrato a tutti quanto sarebbe stato serio)) 4 anelli, un radiatore, un ponte a diodi e un IGBT - orrore!
Le regole di avvolgimento possono essere dedotte nell'articolo "Parte 2". L'avvolgimento secondario sugli anelli è avvolto in una quantità - 1 turno.

Totale motore:

1) come puoi vedere, il numero di anelli è già di 10 pezzi! Questo è costoso, ogni anello costa circa 140r, ma cosa otterremo in cambio nei paragrafi seguenti?
2) la temperatura di lavoro è 60-70 ° C - questo è assolutamente l'ideale, perché molti mettono la temperatura di lavoro a 125 ° C. Impostiamo 85 ° C nei nostri impianti di produzione. Perché è fatto questo: per un sonno ristoratore, esco tranquillamente di casa per una settimana e so che nulla si accenderà in me e tutto è ghiacciato. Penso che il prezzo per questo in 1500r non sia così mortale, vero?
3) Ho impostato la densità di corrente su uno scarso 4 A / mm 2, questo influenzerà sia il calore che l'isolamento e, di conseguenza, l'affidabilità.
4) Come puoi vedere, secondo il calcolo, la capacità dopo l'induttanza è consigliata per quasi 3000 uF, quindi la mia scelta con 10 elettroliti da 330 uF si adatta perfettamente qui. La capacità del condensatore C1 si è rivelata di 15 μF, abbiamo un doppio margine: puoi ridurlo a 4 condensatori a film, puoi lasciare 7 pezzi e andrà meglio.

Importante! Il numero di anelli nell'induttanza principale può essere ridotto a 4-5, aumentando contemporaneamente la densità di corrente a 7-8 A / mm 2. Ciò ti consentirà di risparmiare molto, ma l'ampiezza della corrente aumenterà leggermente e, soprattutto, la temperatura salirà ad almeno 135 ° C. ...

Cosa posso dire: un mostro sta crescendo qui)))

Filtro di modo comune

Per capire la differenza tra i circuiti per un dato filtro per correnti di 3A (l'alimentatore del computer menzionato sopra) e per correnti di 20A, puoi confrontare lo schema di Google su ATX con il seguente:

Figura 7 - Schema schematico di un filtro di rumore di modo comune

Diverse caratteristiche:

1) C29 è un condensatore per il filtraggio delle interferenze elettromagnetiche, è contrassegnato "X1"... Il suo valore nominale dovrebbe essere compreso tra 0,001 e 0,5 mF.

2) Lo starter è avvolto sul nucleo E42 / 21/20.

3) Due strozzature sugli anelli DR7 e DR9 sono avvolte su qualsiasi nucleo spray e con un diametro superiore a 20 mm. L'ho avvolto su tutto lo stesso D46 da -52 materiale fino a quando non è stato riempito in 2 strati. Non c'è praticamente alcun rumore nella rete anche alla potenza nominale, ma questo è in realtà ridondante anche a mio avviso.

4) Condensatori C28 e C31 a 0,047 μF e 1 kV e devono essere di classe "Y2".

Calcolando l'induttanza delle strozzature:

1) L'induttanza dell'induttore di modo comune dovrebbe essere 3,2-3,5 mH

2) L'induttanza per le induttanze differenziali si calcola con la formula:

Figura 8 - Calcolo dell'induttanza delle induttanze differenziali senza accoppiamento magnetico

Epilogo

Utilizzando l'esperienza competente e professionale degli ingegneri ST, sono stato in grado di produrre, se non ideale, semplicemente eccellente correttore del fattore di potenza attivo con parametri migliori di qualsiasi Schneider. L'unica cosa che dovresti assolutamente ricordare è quanto ne hai bisogno? E in base a questo, regola i parametri per te stesso.

Il mio obiettivo in questo articolo era proprio quello di mostrare il processo di calcolo con la possibilità di correggere i dati iniziali, in modo che ognuno, avendo deciso i parametri per i propri compiti, avesse già calcolato e realizzato il modulo da solo. Spero di essere stato in grado di mostrarlo e nel prossimo articolo dimostrerò il funzionamento congiunto del KKM e del caricabatterie dalla parte 5.