Elektrikli araç şarj cihazlarının PFC aşaması, en yüksek verimliliği gerektirir - SiC kas kodu, gereksinimleri karşılayabilir
PFC nedir?
Güç faktörü düzeltmesi (PFC), anahtar modlu güç kaynağından (SMPS) önceki çağdan gelir ve motorlar gibi doğrusal güç yükleriyle ilgilidir, çünkü bu yükler hatta endüktif yükler ekleyebilir. Motorun artmasının etkisi, akım ve hat geriliminin artık fazda olmaması, ancak belirli bir açının gerisinde kalmasıdır, böylece gerilim ve akım RMS değerleri tekrar ölçülürse, "görünen" güç beklenenden daha büyük olacaktır. Bu matematiksel olarak iki hat frekansı akımı olarak ifade edilebilir, biri hat voltajıyla aynı fazdadır ve diğeri 90 derece faz dışıdır. Faz içi akım, yüke "gerçek" güç sağlarken, faz kaydırmalı akım "reaktif" gücü temsil eder.Bu güçler yararsızdır ve yalnızca akımın güç kaynağından akmasına ve güç kaynağına geri dönmesine neden olur. Bu akım, dirençli kayıplara ve aşırı durumlarda bağlantı veya sigorta arızasına neden olur. "Güç faktörü", gerçek gücün görünen güce oranı olarak tanımlanır. Neyse ki, en azından doğrusal motor yükleri için gereken tek onarım, bir kompanzasyon kondansatörü eklemektir.
Elektrikli araç akü şarj cihazları gibi uygulamalarda kullanılan anahtarlama güç kaynakları (SMPS) da güç kaynağı voltajı ile akımı faz dışı yapar, ancak mekanizması motorunkinden farklıdır. SMPS'de, alternatif akım (AC) hattı düzeltilir ve sonraki yığın kapasitör, AC döngüsünün zirvesinde enerji ile "doldurulur". Bu, yükün doğrusal olmadığı ve akımın, genellikle nominal sinüzoidal voltaj dalga biçimini fiilen bozan ve tepe değerini "düzleştiren" güç çevriminin küçük bir bölümü için yalnızca kısa darbelerle elde edildiği anlamına gelir (bkz. Şekil 1).
Şekil 1: Güç faktörü düzeltmesi olmayan SMPS'nin tipik hat voltajı (yukarıda) ve akım dalga formları (aşağıda).
Akım dalga formu artık hat frekansının "gerçek" gücü temsil eden faz içi bileşenidir, ancak 90 derece farklılık gösteren reaktif kısım, doğrusal olmayan yüklerin neden olduğu farklı genliklere sahip birçok harmoniği içerir. Güç faktörü tanımını uygulamak bizim için zordur, bu nedenle EN 61000-3-2 gibi modern uluslararası standartlar, belirtilen hat harmonik frekansında "harmonik akım yayılımının" sınır değerini tanımlar. Bu nedenle, güç faktörü düzeltmesi hala uygulanabilir.
PFC seviyesinin gelişimi
SMPS akım distorsiyonunu iyileştirmenin ilk yöntemi, bir hat frekansı indüktörünü toplu kapasitörden önce seri olarak bağlamaktı, ancak bu yöntem çok hantal ve 100W'ı aşan uygulamalar için pratik değildir. Şimdi en yaygın çözüm, düzeltilmiş hat voltajını bir yükseltici dönüştürücüden geçirmektir, ardından AC hattının tepe değerinden daha yüksek bir regüle edilmiş DC çıkışı verecektir (bkz. Şekil 2). Hat akımı sürekli olarak algılanır ve destek dönüştürücünün darbe genişlik modülasyonu, akımı hat voltajıyla aynı fazda kalmaya zorlar, böylece harmonik akımları azaltır ve güç faktörünü iyileştirir. Ancak bir yan etki, büyük kapasiteli kapasitörlerin, daha yüksek bir enerji depolama yoğunluğuna ve hat kesildikten sonra daha uzun bir "çalışma" süresine sahip olan sabit bir yüksek voltajda çalışması gerektiğidir.
Şekil 2: Temel güçlendirme PFC devresi.
Şekil 2'deki köprü doğrultucu ve yükseltici dönüştürücü kombinasyon yöntemi uzun yıllardır kullanılmasına rağmen, sonraki dönüştürücü aşamaları yaklaşık% 97 verimliliğe yükseltildiği için sistemin verimliliği artırması için sınırlayıcı bir faktör haline gelmiştir. Gerçek çalışmada, köprü devresindeki iki diyot her zaman yaklaşık 1V'luk bir voltaj düşüşü ile çalışır Bu nedenle, 1 kW güce ve 115 V girişe sahip bir dönüştürücü için, köprü devresi en az 18W güç tüketir. Bu, verimlilik kaybının yaklaşık% 2'sini oluşturur ve en yüksek sistem verimliliği yalnızca% 95'e ulaşabilir. 80PLUS Titanyum performans standardı için, yüksek hat voltajı ve yarı yük altında, tüm dönüştürücünün verimliliğinin% 96'yı aşması gerekir, bu nedenle köprü devresi zaten bir sorundur.
Hat eşzamanlı MOSFET, daha pahalı olan ve kendi kendine güç sağlayan özel bir denetleyici gerektiren köprü diyotunun yerini almak için kullanılmıştır. Endüstri, daha iyi bir çözümün, cihaz kanalının yalnızca kaynaktan drenaja iletmek üzere yapılandırıldığı, ana anahtarı aynı zamanda senkronize bir redresör olarak kullanmak olduğunu fark etti Bu, "köprüsüz totem direği" olarak adlandırılan konfigürasyondur. Şekil 3'te (solda) gösterildiği gibi, bu konfigürasyon, bileşenleri yeniden düzenleyerek elde edilebilir. D5, Q1'e benzer bir anahtarla değiştirilir. Artık Q1 ve Q2, güçlendirme anahtarları olarak kullanılır ve senkron doğrultucu, AC güç kaynağının polaritesi aracılığıyla anahtarlama işlevini gerçekleştirir. Bu konfigürasyonda, yalnızca bir diyot ve anahtarın RDS'si (açık), iletim kaybını önemli ölçüde azaltan bir akım serisi bağlantısı oluşturur.
Hatta bir adım daha ileri gidebilir ve daha yüksek verimlilik elde etmek için D1 ve D2'yi senkron anahtarlarla değiştirebilir. (Sağdaki Şekil 3'e bakın).
Şekil 3: Köprüsüz totem direği konfigürasyonu (solda) ve daha fazla iyileştirme (sağda).
Zorluklar ve çözümler
Köprüsüz totem direği PFC teknolojisinin bazı doğal sorunları tespit edilmiştir: Bunlar arasında özel akım izleme gereksinimleri, güvenilir AC sıfır geçiş tespiti ve yumuşak başlatma sorunları bulunmaktadır. Kontrol IC'si yukarıdaki problemleri çözmek için kullanılabilir, ancak kullanılan anahtarla ilgili özel bir problem vardır. Q1 ve Q2, hiçbiri iletken olmadığında her zaman bir "ölü zamana" sahip olmalıdır, böylece yıkıcı bir "arıza" akımı oluşmaz. Ölü zaman boyunca, MOSFET'in içsel gövde diyotu, tüm çıkış akımını ileten bir Q1 veya Q2 doğrultucu görevi görür. Cihaz, anahtarlama döngüsünün bir sonraki aşamasında ters yönlü olduğunda, büyük bir "ters geri kazanım" akımı üretilecek, bu da enerji kaybına ve EMI sorunlarına neden olacak ve böylece verimlilikteki artışı dengeleyecektir. Yüksek voltajlı MOSFET'ler, özellikle zayıf vücut diyot geri kazanım özelliklerine sahip olabilir, bu nedenle, köprüsüz totem kutuplu devreler genellikle daha yüksek güçte kullanım için uygun değildir. Bu, sürekli iletim modunu (CCM) varsayar. Kritik ve süreksiz modlar, vücut diyotunu iletmeye zorlamaz, ancak dahil olan aşırı tepe akımı nedeniyle yüksek güçlü uygulamalar için uygun değildir.
Geniş bant aralığı (WBG) anahtarlarının ortaya çıkmasıyla işler değişti. SiC MOSFET, düşük kanal iletim kaybına, yüksek hıza ve hızlı vücut diyotuna sahiptir. Bununla birlikte, diyotun ileri voltajı 2.5V ile 3V arasında değişebilir ve bu da yüksek iletim kayıplarına neden olur. Cihaz kapasitansında depolanan enerji EOSS'si genellikle Si-MOSFET'in eşdeğer değerinin iki katıdır ve bu da ek anahtarlama kayıplarına neden olur. Geliştirme modu GaN cihazları SiC MOSFET'ler için rekabet eden teknolojilerdir. Vücut diyotları yoktur, ancak ON direnci (RDSA) için normalize edilmiş çip alanı SiC MOSFET'lerin neredeyse iki katıdır ve çığ veya kısa devre derecesi yoktur, bu da onları pratik yapar Uygulamalarda güvenilirlik büyük bir sorun haline geliyor. Hem SiC MOSFET hem de E-GaN cihazları aynı zamanda kritik geçit sürücü voltajlarına sahiptir, bu da güvenilir ve verimli çalışma sağlar.
SiC kas kodu: en iyi WBG çözümü?
SiC kaskad (kaskad) cihazlarını kullanarak, geniş bant aralığı teknolojisinden tam olarak yararlanmanın bir yolu vardır. SiC kaskodu, yüksek voltajlı SiC J-FET ve yüksek performanslı birlikte paketlenmiş düşük voltajlı Si-MOSFET'in bir kombinasyonudur. Düşük anahtarlama kayıpları, son derece düşük giriş, çıkış ve Miller kapasitesi ve düşük EOSS ile ilişkili özelliklerdir ve sonuçta küçük kalıp boyutundan kaynaklanır. SiC kaskodunun RDSA değeri, Si süper bağlantılı MOSFET'inkinden on kat daha iyi ve GaN veya SiC MOSFET geliştirme modundan 2 ila 4 kat daha yüksektir.
SiC kaskodundaki Si-MOSFET bir vücut diyotu sunar, ancak bu düşük voltajlı bir tiptir.Diyot çok hızlı olabilir ve bu nedenle düşük geri kazanım akımı ve kaybına sahiptir. Şekil 4, 650V dereceli bir UnitedSiC UJC06505T SiC kas kodunun ve 650V IPP65R045C7 silikon süper bağlantı MOSFET'in geri kazanım özelliklerini karşılaştırarak, geri kazanılan şarjın yaklaşık 60 katı bir fark göstermektedir.
Şekil 4: Ters kurtarma özelliklerinin karşılaştırması: SiC kas kodu ve Si-MOSFET.
SiC kaskodu için geçit sürücüsü çok kritik değildir. Çalışma seviyesi mutlak maksimum ± 25 V ile genellikle 0 ~ 12V'tur. Cihazın bir çığ derecesi, kısa devre özelliği vardır ve dV / dt limiti yoktur. ....
Gerçek dünya sonuçları
UnitedSiC'nin bir tanıtım panosu, 1,5 kW nominal güce sahiptir ve 100 kHz çalışma frekansına sahip UJC06505K SiC kas kodunu kullanır Demo sonuçları, belirli bir marjla 80PLUS Titanyum performans hedefine ulaştığını göstermektedir (bkz. Şekil 5).
Şekil 5: Köprüsüz totem direği PFC düzeyinde verimlilik SiC kas kodu kullanılarak elde edildi.
Çift yönlü güç dönüşümü
Elektrikli araç akü şarj cihazları, kontrollü akü şarjı sağlamak için bir PFC ve dönüştürme aşaması gerektirdiklerinden diğer SMPS'lere benzer. Ancak, enerji dengesi veya ev kullanımı için pilden elektriği yerel şebekeye geri döndürmek ve kullanıcılara karşılık gelen ekonomik faydalar sağlamak da gereklidir. Köprüsüz totem direği PFC aşamasının topolojik yapısı aslında H tipi köprü invertörününki ile aynıdır Bu nedenle, uygun bir yüksek frekanslı PWM tarafından hat frekansı tarafından modüle edilen anahtara sürülür, böylece DC barası güç kaynağı olur ve hat bağlantısı yük olur. Ters enerji akışı. Batarya, geleneksel çift yönlü izole bir DC-DC dönüştürücü aracılığıyla bir DC veri yolu üretir Benzer şekilde, SiC kas kodu, düşük iletim ve gövde diyot kayıpları nedeniyle bu uygulama için çok uygundur.
sonuç olarak
Köprüsüz totem direği PFC aşaması, uygun yarı iletken teknoloji topolojilerinin ortaya çıkmasını bekliyordu. Sağlam bir çözüm olarak SiC kaskod anahtarı, bu topolojinin potansiyel verimlilik adımı iyileştirmesini gerçekleştirir ve çift yönlü bir güç dönüşümü olarak yapılandırma için büyük bir potansiyele sahiptir. UnitedSiC, bu uygulamalar için ideal olarak uygun çeşitli SiC kaskod cihazları sağlayabilir.
UnitedSiC, bu yıl Electronics Weekly'nin ev sahipliğini yaptığı Elektra Ödülleri'nde finalist oldu.
Referans
EN 61000-3-2, "Elektronik uyumluluk (EMC). Kısıtlamalar. Harmonik akım yayılımına ilişkin kısıtlamalar (ekipman tek fazlı giriş akımı 16A)"
PFC Harmonik Akım Radyasyonu --- EN61000-3-2 Kılavuzu: 2014, Avrupa Güç Kaynağı Üreticileri Derneği (AVRUPA GÜÇ KAYNAĞI ÜRETİCİLERİ DERNEĞİ), www.epsma.org
Texas Instruments (TI), totem direği PFC'deki kontrol zorlukları.
