תכנון תיקון גורם הספק יעיל יותר באמצעות מוליכים-למחצה עם Bandgap‏ רחב ובקרה דיגיטלית

תיקון גורם הספק (PFC‏) הוא הכרחי כדי למקסם את הנצילות של ציוד המוזן מרשת הספקת החשמל AC, כולל ספקי-כוח AC/DC, מטעני סוללות, מערכות אחסון אנרגיה מבוססות סוללות, דוחפי מנועים וספקי-כוח אל-פסק (UPS‏). חשיבותו היא בכך שישנן תקנות המכתיבות רמות גורם הספק מינימלי (PF) עבור סוגים ספציפיים של ציוד אלקטרוני.

כדי לעמוד בתקנות אלו לנוכח הלחץ המתמיד לשיפור הביצועים הכוללים בגורמי צורה הולכים וקטנים, פונים המתכננים לתכני PFC אקטיבי המנצלים טכניקות בקרה דיגיטליות ומוליכים-למחצה עם Bandgap רחב כגון סיליקון קרביד (SiC) וגליום ניטריד (GaN).

מאמר זה סוקר את המושגים וההגדרות של גורם ההספק (PF) כולל השוני בין ההגדרות של IEEE לבין אלו של IEC והתקנים הנלווים. לאחר מכן הוא מציג פיתרונות עבור PFC‏ מיצרנים כמו STMicroelectronics‏, Transphorm‏, Microchip Technology‏ ו- Infineon Technologies‏ שהמתכננים יכולים להשתמש בהם למימוש PFC‏ באמצעות מוליכים-למחצה עם Bandgap‏ רחב ובקרה דיגיטלית, כולל לוחות הערכה.

מהו תיקון גורם הספק ומדוע יש צורך בו?

גורם ההספק (PF‏) הוא מדד לרמת ההספק הראקטיבי במערכת. ההספק הראקטיבי אינו הספק אמיתי אלא מייצג את השפעת המתח והזרם שהם לא-בפאזה אחד ביחס לשני (איור 1‏). מאחר והם לא-בפאזה, הם אינם יכולים לתרום אפקטיבית לעבודה, אך הם עדיים מופיעים כעומס על קווי הספקת-הכוח AC מרשת החשמל. סך ההספק הראקטיבי במערכת הוא מדד אחד לרמת אי-היעילות של העברת האנרגיה. PFC‏ אקטיבי משתמש באלקטרוניקת הספק לשינוי הפאזה ו/או צורת-הגל של הזרם הנצרך על ידי העומס כדי לשפר את גורם ההספק. השימוש ב- PFC‏ מגדיל את הנצילות הכוללת של המערכת.

איור 1‏: גורם ההספק (PF) מוגדר כקוסינוס של θ‏ ומייצג את היחס בין ההספק האמיתי הנצרך על ידי העומס לבין ההספק הנראה הזורם במעגל. ההפרש בין השניים נגרם עקב ההספק הראקטיבי. ככל שההספק הראקטיבי מתקרב לאפס, העומס נראה יותר כהתנגדותי בלבד, ההספק הנראה וההספק האמיתי הופכים להיות שווים, וגורם ההספק הופך ל- 1.0. (מקור התמונה: Wikipedia)

גורם הספק ירוד יכול לנבוע מעומסים ליניאריים או לא-לינאריים. עומסים לא-לינאריים מעוותים את צורות-הגל של המתח, הזרם או שניהם. כאשר מעורבים עומסים לא-ליניאריים, זה נקרא גורם הספק עיוותים.

עומס לינארי אינו מעוות את צורת-הגל של הכניסה אך עשוי לשנות את התזמון (פאזה) היחסי בין המתח לזרם עקב ההשראות ו/או הקיבול שלו (איור 2). למעגלים חשמליים הכוללים בעיקר עומסים התנגדותיים (לדוגמה נורות חוט להט וגופי חימום) יש מקדם הספק של כמעט 1.0, אך מעגלים הכוללים עומסים השראתיים או קיבוליים (לדוגמה ממירי הספק ממותגים, מנועים חשמליים, שסתומי סולנואיד, שנאים ומשנקים) יש מקדם הספק של הרבה מתחת ל 1.0.

איור 2‏: הספק רגעי וממוצע המחושבים ממתח וזרם AC עם מקדם הספק מפגר - כלומר הזרם מפגר אחרי המתח - של 0.71 לעומת עומס לינארי.

מרבית העומסים האלקטרוניים אינם לינאריים. דוגמאות לעומסים לא-ליניאריים הם ממירי הספק ממותגים והתקני פריקת קשת חשמלית כגון נורות פלורסצנט, מכונות ריתוך חשמלי או תנורי קשת חשמלית. מכיוון שהזרם במערכות אלה נקטע עקב פעולת המיתוג, הזרם מכיל רכיבי תדר שהם כפולות של תדר מערכת הספקת-הכוח. גורם הספק עיוותים הוא מדד לעד כמה העיוותים ההרמוניים של זרם העומס מקטינים את ההספק הממוצע המועבר לעומס.

איור 3‏: מתח סינוסואידלי (בצהוב) וזרם לא-סינוסואידלי (בכחול) נותנים גורם הספק עיוותים של 0.75 עבור ספק-כוח זה שהוא עומס לא-לינארי. (מקור התמונה: Wikipedia)

ההבדל בין גורם הספק מפגר ומקדים

גורם הספק מפגר מציין שהזרם מפגר (הוא מאחורי) המתח, ואילו גורם הספק מקדים מציין שהזרם מקדים (הוא לפני) המתח. עבור עומסים השראתיים (לדוגמה מנועי אינדוקציה, סלילים ומספר נורות), הזרם מפגר מאחורי המתח ומייצר גורם הספק מפגר. עבור עומסים קיבוליים (לדוגמה קבלים סינכרוניים, מערכי קבלים וממירי הספק אלקטרוניים), הזרם מקדים את המתח ומייצר גורם הספק מקדים.

הציון של מפגר או מקדים אינו זהה עם ערך חיובי או שלילי. הסימן השלילי והחיובי שלפני ערך גורם ההספק נקבע על פי התקן המשמש - IEEE או IEC.

גורם ההספק ו- IEEE‏ לעומת IEC

התרשימים באיור 4 מראים את הקורלציה בין קילוואט (kW) של הספק, הספק ראקטיבי וולט-אמפר (var), גורם הספק, ועומסים השראתיים או קיבוליים עבור תקני IEEE ו- IEC גם יחד. כל ארגון משתמש במדדים שונים כדי לסווג את גורם ההספק.

איור 4‏: על פי ה- IEC‏ (משמאל), סימן גורם ההספק תלוי אך ורק בכיוון זרימת ההספק האמיתי והוא אינו תלוי בהיות העומס השראתי או קיבולי. על פי ה- IEEE (מימין), סימן גורם ההספק תלוי אך ורק באופי העומס (כלומר קיבולי או השראתי). במקרה זה, הוא בלתי-תלוי בכיוון של זרימת ההספק האמיתי. (מקור התמונה: Schneider Electric‏)

על פי ה- IEC‏ (בצד השמאלי של איור 4‏)), סימן גורם ההספק תלוי אך ורק בכיוון זרימת ההספק האמיתי והוא אינו תלוי בהיות העומס השראתי או קיבולי. על פי ה- IEEE (בצד הימני של איור 4‏), סימן גורם ההספק תלוי אך ורק באופי העומס (כלומר קיבולי או השראתי). במקרה זה, הוא בלתי-תלוי בכיוון של זרימת ההספק האמיתי. עבור עומס השראתי גורם ההספק הוא שלילי. עבור עומס קיבולי גורם ההספק היא חיובי.

תקני גורם ההספק

הרשויות הרגולטוריות כמו האיחוד האירופי (EU) קבעו גבולות ההרמוניות לשיפור גורם ההספק. כדי לעמוד בתקן האיחוד האירופי הנוכחי EN61000-3-2 (המבוסס על IEC 61000-3-2‏), כל ספקי הכוח הממותגים עם הספק יציאה של יותר מ 75 וואט חייבים לכלול PFC. הרשאת ספקי-כוח ‎80 PLUS‏ על ידי EnergyStar‏ דורשת גורם הספק של 0.9 או יותר ב- 100% של דירוג הספק היציאה ודורשת PFC‏ אקטיבי. המהדורה האחרונה של תקן IEC‏ בעת כתיבת שורות אלה היא: IEC 61000-3-2:2018‏, "תאימות אלקטרומגנטית (EMC) - פרקים 3-2: גבולות - גבולות פליטות זרמי הרמוניות (זרם כניסה לציוד ≤ A‏ 16‏ לכל פאזה)."

ממירי הספק ממותגים ללא תיקון גורם ההספק אינם עומדים בתקני PFC‏ הנוכחיים. שיקול אחד המשפיע על גורם ההספק הוא באיזה סוג של כניסת AC משתמשים: חד-פאזי או תלת-פאזי. לספקי-כוח ממותגים חד-פאזיים ללא תיקון יש בדרך כלל גורם הספק של בערך 0.65 עד 0.75 (כשמשתמשים במוסכמת IEEE‏ עבור סימן גורם ההספק כמתואר לעיל). הסיבה לכך היא שמרבית היחידות משתמשות בקצה קדמי של מיישר/קבל לייצור מתח אפיק DC. תצורה זו מושכת זרם רק בשיא של כל מחזור קו ויוצרת פולסי זרם צרים וגבוהים שתוצאתם היא גורם הספק ירוד (ראו איור 3 לעיל).

לספקי-כוח ממותגים תלת-פאזיים ללא תיקון יש גורם הספק גבוה יותר, לעיתים כזה המתקרב ל- 0.85 (גם בשימוש במוסכמת IEEE‏ עבור סימן גורם ההספק). הסיבה לכך היא שלמרות שמיישר/קבל משמש לייצור מתח אפיק DC, ישנן שלוש פאזות אשר הצירוף שלהם משפר את גורם ההספק הכולל. עם זאת, ממירי ההספק הממותגים לא החד-פאזיים ולא התלת-פאזיים אינם יכולים לעמוד בתקני גורם ההספק הנוכחיים מבלי להשתמש במעגל תיקון גורם הספק אקטיבי.

השימוש במוליכים-למחצה WBG ובקרה דיגיטלית לתכנון PFC אקטיבי

השימוש בטכניקות בקרה דיגיטליות ומוליכים-למחצה עם Bandgap‏ רחב (WBG‏), כולל GaN ו- SiC, מעניקים למתכננים אפשרויות חדשות עבור מעגלי PFC אקטיביים היכולים להעניק נצילות גבוהה יותר וצפיפות הספק גבוהה יותר בהשוואה לתכני PFC‏ אקטיבי המבוססים על תכני בקרה אנלוגית או PFC‏ פסיבי.

המתכננים יכולים להחליף בקרים אנלוגיים בטכניקות בקרה דיגיטליות מתקדמות או להשלים בקרה אנלוגית עם אלמנטי בקרה דיגיטליים נוספים, כולל מיקרו-בקרים, כדי להשיג את ביצועי ה- PFC המקסימליים. במקרים מסוימים ניתן להשתמש גם במוליכים-למחצה עם WBG לשיפור ביצועי ה- PFC.

עלויות רכיבים יורדות זרזו את המימוש של שתי שיטות נפרדות עבור PFC‏: תכנים מסורגים (Interleaved) ותכנים ללא-גשר. כל גישה מביאה מערך שונה של יתרונות:

• יתרונות PFC‏ מסורג (Interleaved):
  • נצילות גבוהה יותר
  • פיזור חום משופר
  • זרם RMS מופחת דרך דרגת ה- PFC‏
  • מודולריות
• יתרונות PFC‏ ללא-גשר:
  • נצילות גבוהה יותר
  • הפחתת בחצי של ההפסדים ביישור הכניסה
  • פיזור חום משופר
  • צפיפות הספק גבוהה יותר

בקר PFC‏ תלת-ערוצי מסורג המשלב בקרה אנלוגית ודיגיטלית

בקר STNRGPF01‏ מבית STMicroelectronics הוא ASIC ניתן-להגדרה המשלב בקרה דיגיטלית ואנלוגית ויכול לדחוף עד שלושה ערוצים ב- PFC מסורג (איור 5). ההתקן פועל באופן הולכה רצופה (CCM‏) בתדר קבוע עם בקרת אופן זרם ממוצע ומממש בקרת אותות מעורבים (אנלוגיים/דיגיטליים). חוג זרם פנימי אנלוגי ממומש בחומרה ומבטיח ייצוב מחזור-אחרי-מחזור. חוג מתח חיצוני ממומש על ידי בקר פרופורציונלי-אינטגרלי (PI‏) דיגיטלי עם היענות דינמית מהירה.

איור 5‏: דיאגרמת בלוקים פונקציונלית של ה- STNRGPF01‏ מראה את מקטע הבקרה האנלוגית הפנימית (באדום) ואת מקטע הבקרה הדיגיטלית החיצונית (בירוק) ביישום PFC‏ תלת-פאזי מסורג. (מקור התמונה: STMicroelectronics)

ה- STNRGPF01 מממש אסטרטגיית השלת פאזה גמישה המאפשרת את המספר הנכון של ערוצי PFC על בסיס תנאי העומס בפועל. בעזרת פונקציה זו, ה- STNRGPF01 מסוגל תמיד להבטיח את נצילות ההספק הגבוהה ביותר במגוון רחב של דרישות זרם עומס.

הבקר מממש מספר פונקציות: בקרת זרם התנעה, אתחול-רך, ניהול קירור אופן פרץ (Burst‏), וחיווי סטטוס. הוא כולל גם מערך שלם של הגנות משובצות מפני תקלות מתח-יתר, זרם-יתר ותרמיות.

כדי לעזור למתכננים להתחיל בעבודה, חברת STMicroelectronics מציעה גם את לוח הערכת ניהול הספקת-כוח PFC‏ kW‏ 3‏ STEVAL-IPFC01V1‏ המבוסס על ה- STNRGPF01 (איור 6). המאפיינים והמפרט כוללים:

• תחום מתחי כניסה: AC‏V‏ 90 עד _AC‏V‏ 265
• תחום תדרי הקו: 47 עד 63 הרץ (Hz‏)
• הספק יציאה מקסימלי: kW‏ 3‏ ב- 230 וולט
• מתח יציאה: 400 וולט
• גורם הספק (PF‏): > 0.98 ב- 20% עומס
• עיוותים הרמוניים כוללים (THD‏): < %‏5‏ ב- 20% עומס
• בקרת אותות מעורבים
• תדר מיתוג: 111 קילוהרץ (KHz‏)
• ייצוב מחזור-אחרי-מחזור (חוג בקרת זרם אנלוגי)
• מתח כניסה והזנה-קדימה לעומס
• השלת פאזה
• פעולת אופן פרץ (Burst‏)

איור 6‏: דיאגרמת בלוקים של ה- STEVAL-IPFC01V1‏ המראה: 1. אותות מדידות I/O‏; 2. המעגלים האנלוגיים; 3. דרגת ההספק; 4. מקטע הבקרה הדיגיטלית עם הבקר הדיגיטלי STNRGPF01‏; ב- PFC‏ תלת-פאזי מסורג (Interleaved). (מקור התמונה: STMicroelectronics)

בנוסף לבקר האותות המעורבים STNRGPF01, לוח הערכה זה כולל את רכיבי MOSFET סיליקון להספק ערוץ N‏, 600 וולט, 34 אמפר (A) עם Qg‏ נמוך STW40N60M2‏ ומעגלים-משולבים (IC) של דוחף שער PM8834TR‏.

PFC‏ Totem Pole‏ ללא-גשר עם רכיבי FET‏ GaN

טופולוגיות PFC‏ ללא-גשר מאפשרות למנוע את מפלי המתח ואת ירידת הנצילות הקשורה בהן באמצעות יישור גשר דיודות. PFC‏ Totem Pole‏ ללא-גשר התאפשר הודות להופעתם של מוליכים-למחצה להספק מסוג WBG‏, כגון GaN‏ ו- SiC‏ (איור 7‏). בתכן Totem Pole‏ קונבנציונלי (a‏), שני רכיבי FET‏ GaN ושתי דיודות משמשות ליישור קו המתח. ב- Totem Pole‏ ללא-גשר עם שינוי (b‏), הדיודות מוחלפות על ידי שני רכיבי MOSFET סיליקון עם התנגדות נמוכה כך שהזרם-מתח (IV) של הדיודות יורד כדי לשפר את הנצילות.

איור 7‏: שני רכיבי FET‏ GaN ושתי דיודות משמשים עבור יישור מתח הקו בתכן Totem Pole‏ קונבנציונלי (a‏); במעגל עם השינוי (b‏), הדיודות מוחלפות על ידי שני רכיבי MOSFET סיליקון עם התנגדות נמוכה כך שהזרם-מתח של הדיודות יורד כדי לשפר את הנצילות ב- Totem Pole‏ ללא-גשר. (מקור התמונה: Transphorm)

מטען ההתאוששות האחורני (Qrr) הקטן יותר משמעותית של הטרנזיסטורים עם ניידות אלקטרונים גבוהה (HEMT‏) GaN‏ בהשוואה לזה של רכיבי MOSFET סיליקון הופכים את תכני Totem Pole‏ ללא-גשר למעשיים (איור 8‏). בתרשים מפושט זה של PFC‏ Totem-Pole ב- CCM, ההתמקדות היא בהקטנה למינימום של הפסדי ההולכה.

איור 8‏: סכמה מפושטת של PFC‏ Totem-Pole באופן CCM המורכב משני רכיבי HMET‏ GaN‏ (Q1 ו- Q2) עם מיתוג-מהיר הפועלים בתדר אפנון רוחב פולס גבוה כממירי Boost, ושני רכיבי MOSFET‏ (S1 ו- S2) עם התנגדות נמוכה ביותר הפועלים בתדר קו המתח שהוא נמוך הרבה יותר (50Hz/60Hz‏). (מקור התמונה: Transphorm)

המעגל מורכב משני רכיבי HMET‏ GaN‏ (Q1 ו- Q2) עם מיתוג-מהיר ושני רכיבי MOSFET‏ (S1 ו- S2) עם התנגדות נמוכה ביותר. Q1 ו- Q2 פועלים בתדר אפנון רוחב פולס (PWM) גבוה כממירי Boost. S1 ו- S2 פועלים בתדר קו המתח שהוא נמוך הרבה יותר (50Hz/60Hz‏) כמיישר מסונכרן. מסלול הזרם העיקרי כולל מתג אחד מהיר ומתג אחד איטי בלבד, ללא מפל דיודה. התפקיד של S1 ו- S2 הוא של מיישר מסונכרן, כמתואר ב- 8 (b) ו- 8 (c). במהלך מחזור ה- AC החיובי, S1 פועל ו- S2 כבוי, מה שמאלץ את הקו הנייטרלי של ה- AC המחובר להדק השלילי ליציאת ה- DC. ההיפך חל על המחזור השלילי.

כדי לאפשר פעולה באופן CCM, דיודת הגוף של טרנזיסטור ה- Slave חייבת לתפקד כדיודת Flyback כדי שזרם המשרן יזרום במהלך הזמן המת. עם זאת, זרם הדיודה חייב לרדת לאפס במהירות ולעבור למצב חסימה אחורנית לאחר שמתג ה- Master מופעל. זהו התהליך הקריטי עבור PFC‏ Totem-Pole, אשר עם ה- Qrr הגבוה של דיודת הגוף של רכיבי Si MOSFET במתח גבוה, גורם לשיאים לא-תקינים, אי-יציבות והפסדי מיתוג גבוהים נלווים. ה- Qrr הנמוך של מתגי ה- GaN מאפשר למתכננים להתגבר על מחסום זה.

המתכננים יכולים ללמוד את פעולת המעגל באמצעות לוח הערכת PFC‏ Totem-Pole‏ ללא-גשר kW‏ 4‏ TDTTP4000W066C‏ מבית Transphorm. הוא משתמש במודול הספקת-כוח נתקע (PIM‏) דיגיטלי dsPIC33CK256MP506‏ MA330048‏ מבית Microchip Technology כבקר. המרה חד-פאזית עם נצילות גבוהה ביותר מושגת באמצעות רכיבי FET‏ GaN‏ TP65H035G4WS‏ (SuperGaN‏) Gen IV‏ מבית Transphorm. באמצעות ענף המעגל של רכיבי FET‏ GaN‏ מבית Transphorm עם מיתוג מהיר וענף המעגל של רכיבי MOSFET עם מיתוג-איטי מושגת התוצאה של ביצועים ונצילות משופרים.

PFC‏ Totem Pole‏ דו-כיווני משלב רכיבי FET סיליקון ו- SiC FET

עבור מתכננים של רכבים חשמליים על סוללות (BEV‏) אינטראקטיביים עם רשת החשמל ומערכות אחסון אנרגיה מבוססות-סוללות, חברת Infineon מציעה את לוח ההערכה EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1‏, מתקן גורם הספק Totem-Pole‏ 3,300‏ וואט עם יכולת הספקת-כוח דו-כיוונית (איור 9‏). לוח PFC‏ Totem Pole‏ ללא-גשר זה מספק צפיפות הספק גבוהה של 72 וואט לאינץ' מעוקב. ה- Totem Pole‏ הממומש בלוח EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 פועל באופן CCM‏ באופני מיישר (PFC‏) ומהפך גם יחד, עם מימוש בקרה דיגיטלית מלאה באמצעות המיקרו-בקר סדרת XMC1000 מבית Infineon.

איור 9‏: דיאגרמת בלוקים של לוח הערכת PFC‏ Totem-Pole‏ 3,300 וואט EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1‏ המראה את הטופולוגיה המספקת את צפיפות ההספק של 72 וואט לאינץ' מעוקב של מפרט הלוח. (מקור התמונה: Infineon Technologies)

PFC‏ Totem Pole‏ זה משתמש בצירוף של רכיבי SiC MOSFET‏ CoolSiC‏ 650 וולט, 64 מילי-אוהם (mΩ‏) IMZA65R048M1‏ מבית Infineon‏ ורכיבי MOSFET סיליקון להספק C7‏ CoolMOS‏ 600 וולט, mΩ‏ 17‏ IPW60R017C7‏ שלה. הממיר פועל אך ורק במתח קו גבוה (מינימום 176 וולט RMS‏, 230 וולט RMS נומינלי) באופן CCM עם תדר מיתוג של kHz‏ 65‏ ומשיג נצילות של עד 99% בחצי עומס. התקנים נוספים מבית Infineon המשמשים בפיתרון Totem-Pole‏ דו-כיווני (PFC/AC-DC‏ ו- ממיר/AC-DC‏) 3,300 וואט זה כוללים:

• דוחפי שער מבודדים 2EDF7275FXUMA1
• בקר Flyback‏ QR‏ ICE5QSAGXUMA1 עם רכיב MOSFET‏ CoolMOS P7‏ 950 וולט IPU95R3K7P7 עבור ספק-כוח עזר לממתח
• מיקרו-בקר XMC1404‏ עבור מימוש בקרת PFC‏

סיכום

גורם הספק (PF‏) נמוך הוא הסיבה לנצילות נמוכה ברשת החשמל הציבורית ובממירי הספקת-הכוח, והופך את תיקון גורם ההספק (PFC‏) להכרחי עבור מגוון של ציוד הניזון מרשת החשמל AC, כאשר הרגולציה מכתיבה רמות גורם הספק מינימליות עבור סוגים ספציפיים של התקנים אלקטרוניים. כדי לעמוד בדרישות רגולטוריות אלו תוך מתן מענה לצורך בגורמי צורה קטנים יותר ובביצועים משופרים, המתכננים זקוקים לחלופה לטכניקות PFC פסיבי פשוטות ובעלות נמוכה.

כפי שהוצג, מתכננים יכולים במקום זאת לממש תכנים של PFC אקטיבי באמצעות טכניקות בקרה דיגיטליות ומוליכים-למחצה מסוג WBG כגון SiC ו- GaN כדי להשיג גורמי הספק גבוהים יותר ותכנים קומפקטיים יותר.

המלצות לקריאה נוספת

1. תכנון פיתרונות יעילים של תיקון גורם הספק מסורג (Interleaved)
2. השימוש ברכיבי MOSFET מבוססי-SiC לשיפור נצילות המרת ההספק