la energía eléctrica es red En resumen, las fuentes de alimentación de CA/CC que realizan esta conversión son una de las cargas más comunes que se colocan en la red de energía. La operación eficiente de estas fuentes de energía es cada vez más importante a medida que el mundo recurre a la eficiencia energética para proteger el medio ambiente y controlar los costos operativos.
La eficiencia como una medida de la relación entre la potencia de entrada y la potencia entregada a una carga es bien conocida. Sin embargo, el factor de potencia de entrada (PF) también tiene un gran efecto. PF es la relación entre la potencia activa (verdadera) y la potencia total (aparente) (en kilovoltios-amperios) consumida por los dispositivos alimentados por CA, incluida la fuente de alimentación. PF mide la eficiencia con la que la potencia consumida se convierte en trabajo útil.
Si la carga es puramente resistiva, el FP será 1, pero los elementos reactivos en la carga reducirán el FP, haciendo que la potencia aparente sea mayor que la potencia real y reduciendo la eficiencia.
Un PF menor que 1 ocurre porque el voltaje y la corriente están desfasados. Esto es común con las cargas inductivas. También puede ser causado por contenido armónico o formas de onda de corriente distorsionadas, como es común en las fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) y otros tipos de cargas electrónicas discontinuas.
Corrección de FP
Muchos SMPS sin corrección del factor de potencia (PFC) consumen corrientes más altas que los SMPS corregidos, por lo que a niveles de potencia superiores a 70 W, los diseñadores necesitan incorporar circuitos para corregir el FP a un valor cercano a 1. La técnica más común para el PFC activo utiliza un convertidor elevador para convertir el suministro de red rectificado a un nivel de CC más alto y modulación de ancho de pulso (PWM) para regular el nivel de CC.
Aunque esta técnica funciona bien y es fácil de implementar, tiene algunos desafíos. Los estándares de eficiencia modernos, como el estricto “Estándar de titanio 80+”, exigen una alta eficiencia en un amplio rango de potencia y una eficiencia máxima de hasta el 96 % con una carga del 50 %. El convertidor CC/CC que sigue a la etapa PFC suele tener un 2 % de pérdidas, mientras que la rectificación de línea y la etapa PFC en sí tienen solo un 2 % de pérdidas. Esto es difícil con diodos en puentes rectificadores.
Sin embargo, reemplazar el diodo de refuerzo (D5) con un rectificador síncrono mejora la eficiencia. Además, solo se requieren diodos rectificadores de 2 líneas y estos también pueden ser rectificadores síncronos (Q3, Q4), lo que mejora aún más la eficiencia. Esta técnica se conoce como Totem Pole PFC (TPPFC), y con inductores ideales e interruptores perfectos, las eficiencias pueden acercarse al 100 %. Los MOSFET modernos ofrecen un excelente rendimiento, pero no alcanzan los interruptores ideales, incluso cuando se usan en paralelo. Por lo tanto, los conmutadores de semiconductores de banda prohibida ancha (WBG) están estrechamente relacionados con las topologías TPPFC.
Figura 1: Circuitos TPPFC convencionales (izquierda) y (derecha) sin puente.
Hacer frente a la pérdida
Como las frecuencias de conmutación tienden a aumentar, las pérdidas dinámicas de los dispositivos de conmutación se vuelven más sensibles. Estas pérdidas se deben a la recuperación inversa del MOSFET cuando se configura como un interruptor de primera pata de tótem, cuyo diodo del cuerpo conduce durante el tiempo “muerto” de conmutación y la carga almacenada asociada debe agotarse. Descarga de la capacitancia de salida del interruptor.
De hecho, los MOSFET de silicio pueden tener pérdidas dinámicas altas, por lo que los diseñadores especifican cada vez más materiales semiconductores WBG, como dispositivos de carburo de silicio y nitruro de galio en aplicaciones TPPFC. Tienen la ventaja añadida de una operación de mayor frecuencia y la capacidad de operar a temperaturas más altas. Estas son dos propiedades que son muy útiles en aplicaciones de energía.
El modo de conducción crítico (CrM) suele ser el modo de conducción preferido, especialmente para TPPFC de hasta cientos de vatios, y ofrece un buen compromiso entre la eficiencia y el rendimiento de la interferencia electromagnética. El modo de conducción continua (CCM) reduce aún más la corriente RMS del interruptor y las pérdidas de conducción, lo que permite que TPPFC se use en aplicaciones de potencia nominal de kilovatios.
Incluso con CrM, pueden ocurrir pérdidas significativas de eficiencia (hasta un 10 %) con cargas ligeras, lo que plantea desafíos importantes cuando se trata de cumplir con los límites de consumo de energía en modo de espera o sin carga. Una solución es sujetar o “replegar” la frecuencia máxima permitida. Esto obliga al circuito a entrar en modo de conducción discontinua (DCM) con cargas ligeras, lo que da como resultado picos de corriente más altos que las implementaciones de CrM comparables.
La combinación de TPPFC con la operación de CrM y la fijación de frecuencia proporciona una excelente solución de potencia media con excelente eficiencia en todo el rango de carga, especialmente cuando el interruptor WBG se usa en el tramo de alta frecuencia.
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