Este artículo cubre los problemas de alimentación de CA y las implementaciones de PFC en general. Luego describimos la tecnología desarrollada por nuestros expertos en ingeniería y explicamos los beneficios de las soluciones PFC que ofrecemos. La corrección del factor de potencia (PFC) es importante para mejorar la eficiencia y reducir el ruido eléctrico en fuentes de alimentación conmutadas y otras fuentes de alimentación. Como tal, las soluciones PFC son componentes esenciales en dispositivos y sistemas electrónicos.
Ahorro de energía y estabilidad mejorados:
Circuitos integrados de control de armónicos y corrección del factor de potencia superiores para mejorar el rendimiento del sistema
La corrección del factor de potencia (PFC) es importante para mejorar la eficiencia y reducir el ruido eléctrico en fuentes de alimentación conmutadas y otras fuentes de alimentación. Como tal, las soluciones PFC son componentes esenciales en dispositivos y sistemas electrónicos. Renesas fabrica una línea de circuitos integrados PFC de productos estándar populares y chips relacionados. Desarrollo rápido de ICS de corrección personalizada, personalización que combina la mejor potencia, chips analógicos y digitales con el software adecuado y una gran experiencia en sistemas para ayudar a los clientes a optimizar el rendimiento del producto. También puede desarrollar soluciones modulares personalizadas.
Este artículo cubre los problemas de alimentación de CA y las implementaciones de PFC en general. Luego describimos la tecnología desarrollada por nuestros expertos en ingeniería y explicamos los beneficios de las soluciones PFC que ofrecemos.
Maximice la potencia “real” requerida para que una carga eléctrica funcione
La corrección del factor de potencia (PFC) es una técnica de diseño clave para lograr el máximo rendimiento de los sistemas electrónicos de potencia. En particular, las soluciones de semiconductores para aplicaciones PFC son fundamentales para el rendimiento de las fuentes de alimentación conmutadas de CA-CC. Para entender por qué, primero debemos comprender los conceptos básicos de las fuentes de alimentación de CA que impulsan estos omnipresentes convertidores de potencia.
Idealmente, la forma de onda de salida de una empresa de servicios públicos u otra fuente de alimentación de CA es una onda sinusoidal pura “limpia”, generalmente a una frecuencia de 50 o 60 Hz, con corriente y voltaje en fase entre sí. Sin embargo, en la práctica, la corriente (I) y el voltaje (V) en el punto de aplicación están en fase solo si la carga (es decir, el circuito que usa la fuente de alimentación de CA) es puramente resistiva, por lo que estos casos son raros.
Como ocurre con la mayoría de las cosas, la tensión y la corriente de CA estarán desfasadas siempre que el circuito de carga contenga inductores o condensadores. Cuando esto sucede, la potencia entregada (también llamada potencia aparente) se divide en dos componentes. La potencia activa o verdadera disponible para realizar un trabajo y la potencia reactiva que permanece en el sistema de suministro y no puede ser utilizada por la carga. Dado que el servicio que venden las compañías de energía de CA es la capacidad de hacer trabajo, estas compañías quieren minimizar la carga que crea energía reactiva.
Esta realidad hace que sea importante que los ingenieros electrónicos comprendan los problemas de diseño relacionados con el factor de potencia (PF), la relación entre la potencia real y la potencia aparente. Las compañías eléctricas han estado interesadas durante mucho tiempo en la mejor manera de reducir el cambio de fase y mejorar el factor de potencia. En su opinión, cuanto más cerca esté el PF de 1,0, mejores serán los resultados, ya que se permite que la carga haga más trabajo.
Cómo lidiar con los problemas de alimentación de CA de la conmutación de convertidores de CA-CC
Casi todos los circuitos y sistemas electrónicos funcionan internamente con alimentación de CC, pero la mayoría obtiene su energía de la alimentación de CA. Los convertidores de potencia AC-DC, que se requieren para generar un voltaje DC para la operación del circuito y del sistema, contienen capacitores e inductores. La física de estos componentes crea inherentemente problemas de factor de potencia.
De hecho, el diseño del regulador de conmutación (el tipo de convertidor de potencia más eficiente y el más utilizado en la actualidad) incluye no solo un circuito de filtro basado en capacitor para suavizar el voltaje de CC, sino también un circuito de puente de diodo (rectificador de onda completa) convierte CA a CC. Este tipo de sección de entrada se conoce como “rectificador y suavizador de entrada capacitiva” (consulte la Figura 1). Desafortunadamente, los puentes de diodos, combinados con capacitores de suavizado, crean otro problema grave de alimentación de CA. línea de CA.
Hay otro problema de diseño complicado aquí. En teoría, la sección de entrada del convertidor de potencia básica anterior debería ser suficiente para convertir una entrada de CA en una salida de CC suave. Sin embargo, en la práctica no es suficiente. El voltaje de salida de CC que produce está muy distorsionado. Como resultado, implementar una solución de diseño para este problema requiere cierta complejidad en el circuito real de un convertidor de potencia experto.
Abordar los problemas actuales de distorsión
La distorsión de una forma de onda de corriente alterna se puede describir matemáticamente por la presencia de armónicos impares de la frecuencia fundamental (50 o 60 Hz) en la señal. Por ejemplo, la alimentación de CA comercial de 50 Hz está distorsionada por la presencia de componentes de forma de onda de amplitudes variables en múltiplos impares de 50 Hz (150 Hz (3×50), 250 Hz (5×50), 350 Hz). . Hz (7×50), etc. Estas irregularidades de forma de onda predecibles se denominan distorsión armónica.
Los ingenieros han utilizado durante mucho tiempo técnicas de diseño de corrección del factor de potencia (PFC) para mejorar el factor de potencia de los convertidores de potencia CA-CC. Más recientemente, sin embargo, han mejorado este enfoque para que también pueda usarse para resolver el problema de la distorsión armónica.
Considere un diseño típico de convertidor de potencia AC-DC
El circuito rectificador/suavizado de entrada capacitivo básico que se muestra en la Figura 1 es mucho más simple que el diseño real. Una fuente de alimentación conmutada real es bastante compleja, incluidas las contramedidas contra la distorsión armónica, e incorpora cuatro bloques funcionales principales (consulte la Figura 2).
La sección de entrada de este diseño de convertidor de potencia típico acepta alimentación de CA comercial (85-264 VCA) y utiliza un filtro de línea de CA para eliminar el ruido. La CA filtrada se envía luego a un rectificador de onda completa (puente de diodos) y de allí a un circuito PFC de aumento (modo continuo). A este circuito PFC le sigue un convertidor DC-DC aislado que produce un voltaje de salida limpio y estable requerido por los circuitos y otros dispositivos en la carga del sistema.
Un circuito PFC básico, que se muestra en la Figura 2, incluye un inductor (bobina de refuerzo), un diodo, un elemento de conmutación (MOSFET o IGBT) y un capacitor de filtrado. La corriente del circuito rectificador fluye a través del inductor al diodo o MOSFET. Cuando el MOSFET está encendido, la corriente fluye hacia el diodo, lo que invierte la polarización y bloquea la corriente. Cuando el MOSFET está apagado, el diodo tiene polarización directa y permite que la corriente fluya para cargar el capacitor de suavizado.
Implementación de dos modos diferentes de operación de PFC
Los circuitos PFC operan en uno de dos modos de operación, dependiendo de cómo se controle la corriente del diodo. El modo óptimo de funcionamiento depende de los requisitos de la aplicación.
- En el modo de conducción continua (CCM), el MOSFET se enciende antes de que la corriente del diodo llegue a cero. La principal ventaja de este modo es el bajo pico de corriente a través de la bobina elevadora. Sus desventajas incluyen altas pérdidas en MOSFET y diodos y niveles relativamente altos de ruido de conmutación. Debido a las características del modo CCM, es adecuado para su uso con fuentes de alimentación de gran capacidad.
- En el modo de conducción crítica (CRM), el MOSFET se enciende solo después de que la corriente máxima en el inductor de refuerzo se vuelve cero. En este modo, la corriente pico de la bobina es alta, pero no hay corriente de recuperación del diodo cuando se aplica la conmutación de corriente cero. Las ventajas de diseño de este modo de operación PFC incluyen bajo nivel de ruido y baja pérdida de energía debido a diodos y MOSFET. Las características del modo CRM lo hacen especialmente adecuado para su uso con fuentes de alimentación de pequeña capacidad.
Alta eficiencia por operación intercalada
El diagrama de la Figura 3 muestra un circuito PFC estándar en su configuración simple (no intercalada) más básica. Sin embargo, con la adición de algunos componentes, este circuito se puede ampliar para admitir el funcionamiento intercalado en los modos CCM y CRM.
En un diseño de PFC intercalado, las bobinas elevadoras, los diodos y los MOSFET se duplican y sus funciones se cronometran y secuencian cuidadosamente para que se realicen el doble de operaciones de carga de capacitores en la misma cantidad de tiempo. La Figura 4 muestra un circuito CRM intercalado.