Mạch điều chỉnh hệ số công suất (PFC) - Hướng dẫn

Bài đăng trình bày chi tiết các phương pháp khác nhau để định cấu hình mạch hiệu chỉnh hệ số công suất hoặc mạch PFC trong thiết kế SMPS và giải thích các tùy chọn thực hành tốt nhất cho các cấu trúc liên kết này để nó tuân thủ các nguyên tắc hạn chế PFC hiện đại.

Việc thiết kế các mạch cung cấp điện hiệu quả chưa bao giờ là điều dễ dàng, tuy nhiên theo thời gian, các nhà nghiên cứu đã có thể giải quyết hầu hết các vấn đề liên quan và hoàn toàn tương tự như vậy, các thiết kế SMPS hiện đại cũng đang được tối ưu hóa với kết quả tốt nhất có thể, nhờ các tiêu chuẩn quy định mới nổi đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện các thông số chất lượng nghiêm ngặt hơn cho các đơn vị cung cấp điện hiện đại.

Nguyên tắc PFC

Các hạn chế về chất lượng nguồn cung cấp điện hiện đại được đưa ra khá quyết liệt, do nỗ lực của các nhà sản xuất, nhà cung cấp và các cơ quan quản lý liên quan khác.

Trong số nhiều thông số chất lượng được đặt ra cho các thiết kế cung cấp điện hiện đại, hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC) thực sự ở dạng loại bỏ sóng hài đã được tuyên bố là một yêu cầu bắt buộc theo quy tắc IEC 61000-3-2.

Do đó, các nhà thiết kế buộc phải đối mặt với những thách thức khó khăn hơn trong việc thiết kế các giai đoạn hiệu chỉnh hệ số công suất trong thiết kế bộ nguồn của họ để đáp ứng các luật hiện đại nghiêm ngặt này và với việc bộ nguồn ngày càng trở nên đáng gờm hơn với thông số kỹ thuật và phạm vi ứng dụng của nó, cấu trúc mạch PFC thích hợp không dễ dàng hơn đối với nhiều nhà sản xuất trong đấu trường.

Các hướng dẫn được trình bày đặc biệt dành riêng cho tất cả những hiệp hội và các chuyên gia tham gia sản xuất hoặc thiết kế flyback SMPS để tạo điều kiện cho họ với các thiết kế và tính toán PFC lý tưởng nhất theo yêu cầu cá nhân của họ.

Các cuộc thảo luận trong các hướng dẫn này sẽ giúp bạn thiết kế mạch PFC ngay cả đối với các đơn vị lớn đáng kể trong phạm vi lên tới 400 watt, 0,75 amps.

Độc giả cũng sẽ có cơ hội tìm hiểu về cách lựa chọn bộ chuyển đổi đơn cấp cách ly bao gồm trình điều khiển LED. Hướng dẫn thiết kế từng bước và hướng dẫn cùng với so sánh mức hệ thống, nhiều nhà thiết kế tích cực tham gia vào lĩnh vực điện tử công suất sẽ được khai sáng sử dụng cách tiếp cận tối ưu nhất cho các nhu cầu ứng dụng cụ thể của họ

Mục tiêu hiệu chỉnh hệ số công suất

Việc tối ưu hóa mạch hiệu chỉnh hệ số công suất trong các đơn vị SMPS (cấp nguồn chế độ chuyển đổi) hiện đại có thể phát triển trong thời gian gần đây do sự ra đời của một số mạch tích hợp (IC) tiên tiến có liên quan, điều này có thể tạo ra các thiết kế PFC khác nhau có đặc điểm cụ thể phương thức hoạt động và với khả năng xử lý thách thức cá nhân.

Với sự gia tăng phạm vi của các cấu trúc liên kết SMPS, sự phức tạp trong thiết kế và triển khai PFC cũng trở nên trầm trọng hơn trong ngày nay.

Trong hướng dẫn đầu tiên, chúng ta sẽ tìm hiểu về các chi tiết hoạt động của thiết kế mà hầu hết được các chuyên gia ưu tiên sửa chữa.

Về cơ bản, hiệu chỉnh hệ số công suất giúp tối ưu hóa dòng điện đầu vào trong các nguồn cung cấp điện ngoại tuyến để chúng có thể tăng cường công suất thực từ đầu vào nguồn điện có sẵn.

Theo yêu cầu thông thường, một thiết bị điện nhất định phải tự mô phỏng như một tải có điện trở suất thuần, để nó có thể có công suất phản kháng tiêu thụ bằng không.

Điều kiện này dẫn đến việc tạo ra các dòng điện hài đầu vào gần như bằng không, nói cách khác, nó cho phép dòng điện tiêu thụ hoàn toàn trùng pha với điện áp cung cấp đầu vào thường ở dạng sóng sin.

Thành tựu này tạo điều kiện cho thiết bị tiêu thụ “công suất thực” từ nguồn điện ở mức tối ưu và hiệu quả nhất, do đó giúp giảm thiểu lãng phí điện và tăng hiệu suất của nó.

Việc sử dụng điện hiệu quả này không chỉ giúp thiết bị thể hiện một cách hiệu quả nhất mà còn cho các công ty tiện ích và thiết bị có vốn liên quan cho quá trình này.

Hơn nữa, tính năng trên cho phép các đường dây điện không bị sóng hài và gây nhiễu giữa các thiết bị trong mạng.

Ngoài những ưu điểm đã đề cập ở trên, việc bao gồm PFC trong các đơn vị cung cấp điện hiện đại cũng là để tuân thủ các yêu cầu quy định như được đặt ra ở Châu Âu và Nhật Bản với tiêu chuẩn IEC61000-3-2 mà tất cả các thiết bị điện phải đủ điều kiện.

Điều kiện được đề cập ở trên đã được quy định cho hầu hết các thiết bị điện tử có thể được đánh giá ở mức trên 75 watt theo tiêu chuẩn thiết bị loại D hoặc thậm chí cao hơn, quy định biên độ cao nhất của sóng hài tần số đường dây nằm trong khoảng hài bậc 39.

Ngoài các tiêu chuẩn này, PFC cũng được sử dụng để đảm bảo các hiệu quả khác như Energy Star 5.0 quan trọng cho máy tính và Energy Star 2.0 cho hệ thống Nguồn cung cấp điện và TV từ năm 2008.

Định nghĩa hệ số công suất

PFC hoặc Hệ số công suất Hiệu chỉnh có thể được định nghĩa là tỷ số giữa công suất thực trên công suất biểu kiến ​​và được biểu thị bằng:

PF = Công suất thực / Công suất biểu kiến, trong đó Công suất thực được biểu thị bằng
Watts, trong khi Công suất biểu kiến ​​được biểu thị bằng VA.

Trong biểu thức này, công suất thực được xác định là giá trị trung bình của tích tức thời của dòng điện và điện áp trong một pha hoặc chu kỳ, trong khi công suất biểu kiến ​​được coi là giá trị RMS của dòng điện nhân với điện áp.

Điều này cho thấy rằng bất cứ khi nào các đối số dòng điện và điện áp là hình sin và cùng pha với nhau, hệ số công suất kết quả là 1,0.

Tuy nhiên, trong điều kiện khi các tham số dòng điện, điện áp có dạng hình sin nhưng không cùng pha, làm phát sinh hệ số công suất là cosin của góc pha.

Điều kiện hệ số công suất được mô tả ở trên áp dụng trong trường hợp điện áp và dòng điện đều là sóng hình sin thuần túy, kết hợp với trường hợp tải đi kèm được tạo thành từ các thành phần điện trở, cảm ứng và điện dung có thể là tất cả đều phi tuyến tính về bản chất không điều chỉnh với các thông số dòng điện và điện áp đầu vào.

Các cấu trúc liên kết SMPS thường đưa trở kháng không tuyến tính vào đường dây chính do bản chất được giải thích ở trên của mạch của nó.

Cách hoạt động của SMPS

Một mạch SMPS về cơ bản bao gồm một giai đoạn chỉnh lưu ở đầu vào có thể là một nửa sóng hoặc một bộ chỉnh lưu toàn sóng và một tụ lọc bổ sung để giữ điện áp chỉnh lưu qua nó ở mức đỉnh của sóng sin nguồn cung cấp đầu vào cho đến thời điểm đỉnh tiếp theo sóng sin xuất hiện và lặp lại chu kỳ sạc của tụ điện này, dẫn đến điện áp không đổi đỉnh cần thiết trên nó.

Quá trình sạc tụ điện này trên mỗi chu kỳ đỉnh của AC yêu cầu đầu vào phải được trang bị đủ dòng điện để đáp ứng mức tiêu thụ tải của SMPS, giữa các khoảng thời gian đỉnh này.

Chu kỳ được thực hiện bằng cách đổ một dòng điện lớn vào tụ điện một cách nhanh chóng, dòng điện này được đưa vào tải bằng cách phóng điện cho đến khi đến chu kỳ đỉnh tiếp theo.

Đối với kiểu sạc và phóng điện không đồng đều này, khuyến nghị rằng dòng điện xung từ tụ điện được đánh giá cao hơn 15% so với yêu cầu trung bình của tải.

Chúng ta có thể thấy trong hình trên rằng mặc dù có sự biến dạng đáng kể, nhưng các thông số dòng điện và điện áp rõ ràng là cùng pha với nhau.

Tuy nhiên, nếu chúng ta áp dụng thuật ngữ 'cosin góc pha' ở trên sẽ dẫn đến suy luận không chính xác về việc nguồn điện có hệ số công suất là 1,0

Các dạng sóng trên và dưới cho biết hàm lượng hài của dòng điện.

Ở đây, “hàm lượng sóng hài cơ bản” được biểu thị so với biên độ 100%, trong khi các sóng hài cao hơn được trình bày dưới dạng phần trăm bổ sung của biên độ cơ bản.

Tuy nhiên, vì công suất thực chỉ được xác định bởi thành phần cơ bản, trong khi các sóng hài bổ sung khác chỉ đại diện cho công suất biểu kiến, nên hệ số công suất thực tế có thể nhỏ hơn 1,0.

Chúng tôi gọi độ lệch này bằng thuật ngữ hệ số biến dạng, nguyên nhân cơ bản gây ra hệ số công suất không thống nhất trong các đơn vị SMPS.

Biểu hiện cho sức mạnh thực tế và rõ ràng

Biểu thức chung giải quyết mối liên hệ giữa công suất thực và công suất biểu kiến ​​có thể được đưa ra như sau:

Trong đó cosΦ tạo thành hệ số dịch chuyển xuất hiện từ góc pha Φ giữa dạng sóng dòng điện / điện áp và cosΦ biểu thị hệ số biến dạng.

Tham khảo sơ đồ dưới đây, chúng ta có thể chứng kiến ​​một tình huống cho thấy sự hiệu chỉnh hệ số công suất hoàn hảo.

Chúng ta có thể thấy rằng ở đây dạng sóng hiện tại sao chép khá lý tưởng dạng sóng điện áp vì cả hai dường như đang chạy cùng pha và đồng bộ với nhau.

Do đó ở đây các sóng hài dòng điện đầu vào có thể được coi là gần như bằng không.

Hiệu chỉnh hệ số công suất so với giảm sóng hài

Nhìn vào các hình minh họa trước đó, rõ ràng là hệ số công suất và sóng hài thấp hoạt động đồng bộ với nhau.

Nhìn chung, người ta nhận thấy rằng nếu các giới hạn đối với các sóng hài tương ứng được nêu ra có thể giúp hạn chế sự nhiễm bẩn dòng điện đầu vào trong đường dây điện bằng cách loại bỏ nhiễu dòng gây nhiễu đối với các thiết bị khác ở xung quanh.

Do đó, mặc dù quá trình xử lý dòng điện đầu vào có thể được gọi là “hiệu chỉnh hệ số công suất”, cường độ đầu ra của quá trình tinh chỉnh cho rằng quá trình xử lý này được hiểu là hàm lượng hài a theo hướng dẫn quốc tế.

Đối với các cấu trúc liên kết SMPS, thông thường phần tử dịch chuyển gần như là thống nhất, làm phát sinh các mối quan hệ sau đây giữa hệ số công suất và độ méo hài.

Trong biểu thức, THD đại diện cho Tổng méo hài dưới dạng tổng bậc hai của sóng hài có hại đối với nội dung cơ bản, biểu thị trọng lượng tương đối của nội dung hài liên quan với tham chiếu đến đối trọng cơ bản. Phương trình khác liên kết với con số tuyệt đối của THD và không theo tỷ lệ%, thể hiện rằng THD về cơ bản cần bằng 0 để tạo ra một PF thống nhất.

Các loại hiệu chỉnh hệ số công suất

Đặc tính dạng sóng đầu vào trong hình trên thể hiện kiểu hiệu chỉnh hệ số công suất “tích cực” điển hình cho thiết bị SMPS được đưa vào giữa cấu hình chỉnh lưu đầu vào và tụ lọc, và thông qua mạch tích hợp PFC điều khiển quá trình cùng với mạch liên kết cho đảm bảo rằng dòng điện đầu vào cố kết tuân theo dạng sóng điện áp đầu vào.

Loại xử lý này có thể được coi là loại PFC phổ biến nhất được sử dụng trong các mạch SMPS hiện đại, như có thể được chứng kiến ​​trong hình bên dưới.

Đã nói điều này, không có nghĩa là bắt buộc chỉ có các phiên bản “hoạt động” sử dụng IC và chất bán dẫn được sử dụng cho PFC được đề xuất, sẽ là hình thức thiết kế khác có thể đảm bảo lượng PFC hợp lý dưới mức quy định đã đặt ra thường được hoan nghênh.

Người ta nhận thấy rằng trên thực tế, một cuộn cảm duy nhất thay thế vị trí của đối điện 'tích cực' có thể loại bỏ các sóng hài một cách khá thỏa đáng bằng cách kiểm soát các đỉnh và bằng cách phân phối dòng điện đồng bộ đồng bộ với điện áp đầu vào khá hiệu quả.

Thiết kế PFC thụ động

Tuy nhiên, dạng điều khiển PFC thụ động này có thể yêu cầu một cuộn cảm cuộn bằng sắt cồng kềnh đáng kể và do đó có thể được sử dụng cho các ứng dụng trong đó độ nhỏ gọn không phải là yêu cầu quan trọng. (trang 12)

Một cuộn cảm đơn thụ động có vẻ là một giải pháp nhanh chóng cho PFC nhưng đối với ứng dụng công suất cao, kích thước có thể bắt đầu trở nên kém thú vị do kích thước lớn không thực tế.

Trong biểu đồ bên dưới, chúng ta có thể chứng kiến ​​các đặc tính đầu vào của ba số biến thể PC SMPS 250 watt, mỗi biến thể đại diện cho một dạng sóng hiện tại ở hệ số tỷ lệ tương đương.

Chúng ta có thể dễ dàng thấy rằng kết quả thu được từ PFC dựa trên cuộn cảm thụ động là đỉnh dòng cao hơn 33% so với đối tác bộ lọc PFC tích cực.

Mặc dù điều này có thể vượt qua các tiêu chuẩn IEC61000-3-2, nhưng nó chắc chắn sẽ không ngang bằng với quy tắc yêu cầu 0.9PF nghiêm ngặt hơn gần đây và sẽ không đạt mức chấp nhận QC, được đặt ra theo tiêu chuẩn mới này.

Sơ đồ khối cơ bản

Do xu hướng thị trường điện tử đang diễn ra, nơi chúng ta có thể thấy giá đồng ngày càng tăng cùng với sự gia tăng trong quy trình lõi từ và sự ra đời của các vật liệu bán dẫn hiện đại, rẻ hơn nhiều, sẽ không ngạc nhiên nếu chúng ta nhận thấy phương pháp tiếp cận PFC tích cực cực kỳ phổ biến so với đối tác thụ động.

Và xu hướng này có thể sẽ phát triển mạnh mẽ hơn nữa trong tương lai tới, đưa ra các giải pháp PFC ngày càng tiên tiến và nâng cao cho nhiều nhà thiết kế và nhà sản xuất SMPS.

So sánh hài đường vào đầu vào với tiêu chuẩn IEC610003-2

Trong Hình dưới đây, chúng ta có thể thấy dấu vết của ba kết quả SMPS PC 250 watt riêng biệt có tham chiếu đến các hạn chế của IEC6000-3-2. Hạn chế đã chỉ ra có hiệu lực đối với tất cả các thiết bị hạng D như PC, TV và màn hình của chúng.

Giới hạn nội dung hài được hiển thị được cố định theo công suất đầu vào của thiết bị. Đối với các sản phẩm liên quan đến đèn chiếu sáng như đèn LED, đèn CFL, thông thường tuân theo các giới hạn loại C, tương đương với giới hạn công suất đầu vào của chúng.

Các sản phẩm điện tử phi thông thường khác được đặt giới hạn PFC tương ứng với công suất đầu vào tối thiểu 600 watt.

Nếu chúng ta nhìn vào dấu vết PFC thụ động, chúng ta thấy nó hầu như không phù hợp với giới hạn hạn chế đã đặt, chỉ là một loại tình huống chạm và đi (ở điều hòa số 3)

Phân tích các tính năng PFC thụ động

Trong hình dưới đây, chúng ta có thể thấy một ví dụ cổ điển về mạch PFC thụ động được thiết kế cho bộ nguồn PC truyền thống. Điều đáng chú ý ở đây là kết nối của vòi trung tâm của cuộn cảm PFC với điện áp đầu vào đường dây đầu vào.

Khi ở chế độ chọn 220V (công tắc mở), toàn bộ hai phần của cuộn cảm được áp dụng mạng chỉnh lưu làm việc giống như một mạch chỉnh lưu toàn cầu.

Tuy nhiên ở chế độ 110V (đóng công tắc), chỉ 50% hoặc một nửa cuộn dây được sử dụng thông qua phần bên trái của cuộn dây đang được thực hiện trong khi phần chỉnh lưu bây giờ được chuyển thành mạch bộ lưỡng lưu chỉnh lưu nửa sóng.

Vì lựa chọn 220V bị ràng buộc để tạo ra khoảng 330V sau khi chỉnh lưu toàn bộ sóng, điều này tạo thành đầu vào bus cho SMPS và có khả năng dao động đáng kể theo điện áp đường đầu vào.

Sơ đồ mạch ví dụ

Mặc dù thiết kế PFC thụ động này có thể trông khá đơn giản và ấn tượng với hiệu suất của nó nhưng nó có thể bộc lộ một số nhược điểm đáng chú ý.

Cùng với tính chất cồng kềnh của PFC, hai thứ khác ảnh hưởng đến hiệu suất của nó đầu tiên là việc bao gồm một công tắc cơ học khiến hệ thống dễ bị lỗi do con người có thể xảy ra trong khi vận hành thiết bị và các vấn đề hao mòn liên quan.

Thứ hai, điện áp đường dây không được ổn định dẫn đến sự kém hiệu quả tương đối về mặt hiệu quả chi phí và độ chính xác chuyển đổi nguồn DC sang DC liên kết với đầu ra PFC.

Bộ điều khiển chế độ dẫn tới hạn (CrM)

Giai đoạn điều khiển được gọi là chế độ dẫn tới hạn, còn được gọi là bộ điều khiển chế độ chuyển tiếp hoặc chế độ dẫn đường biên (BCM) là các cấu hình mạch có thể được sử dụng hiệu quả trong các ứng dụng điện tử chiếu sáng. Mặc dù không phức tạp với khả năng sử dụng của nó, nhưng bộ điều khiển này tương đối đắt tiền.

Sơ đồ 1-8 sau thể hiện thiết kế mạch điều khiển CrM thông thường.

Thông thường, một bộ điều khiển CrM PFC sẽ sở hữu loại mạch được trình bày ở trên, có thể hiểu được với sự trợ giúp của các điểm sau:

Đầu vào của tầng nhân tham chiếu nhận tín hiệu có kích thước thích hợp từ đầu ra bộ khuếch đại lỗi liên quan có cực tần số thấp.

Đầu vào khác của hệ số nhân có thể được tham chiếu với điện áp kẹp DC ổn định được trích xuất từ ​​đầu vào đường dây AC chỉnh lưu.

Do đó, kết quả đầu ra từ bộ nhân là tích của DC tương đối từ đầu ra amp lỗi và tín hiệu được tham chiếu ở dạng xung sin AC toàn sóng từ đầu vào AC.

Đầu ra từ tầng nhân này cũng có thể được nhìn thấy ở dạng xung sóng sin đầy đủ nhưng được thu nhỏ một cách thích hợp tương ứng với tín hiệu lỗi được áp dụng (hệ số khuếch đại) được sử dụng làm tham chiếu cho điện áp đầu vào.

Biên độ tín hiệu của nguồn này được điều chỉnh thích hợp để thực hiện đúng công suất trung bình được chỉ định và đảm bảo điện áp đầu ra được điều chỉnh thích hợp.

Giai đoạn chịu trách nhiệm xử lý biên độ dòng điện làm cho dòng điện chạy theo dạng sóng đầu ra từ hệ số nhân, tuy nhiên, biên độ tín hiệu dòng tần số đường dây (sau khi làm mịn) có thể bằng một nửa so với tham chiếu này từ giai đoạn nhân .

Ở đây, các hoạt động của mạch định hình dòng điện có thể được hiểu như sau:

Đề cập đến sơ đồ ở trên, Vref là viết tắt của tín hiệu ra từ giai đoạn nhân, được tiếp tục đưa đến một trong các opamps của bộ so sánh có đầu vào thứ hai được tham chiếu với tín hiệu dạng sóng hiện tại.

Trên công tắc nguồn, dòng điện qua cuộn cảm từ từ tăng cho đến khi tín hiệu qua shunt đạt đến mức Vref.

Điều này buộc bộ so sánh phải thay đổi đầu ra của nó từ Bật sang TẮT, TẮT nguồn cho mạch.

Ngay sau khi điều này xảy ra, điện áp đang tăng dần qua cuộn cảm bắt đầu giảm từ từ về phía 0 và khi nó chạm vào 0, đầu ra opamp trở lại và chuyển sang BẬT một lần nữa, và chu kỳ tiếp tục lặp lại.

Như tên của đặc tính trên có nghĩa, kiểu điều khiển của hệ thống không bao giờ cho phép dòng điện dẫn vượt quá giới hạn định trước qua các chế độ chuyển mạch liên tục và không liên tục.

Sự sắp xếp này giúp dự đoán và tính toán mối quan hệ giữa mức dòng điện đỉnh trung bình của đầu ra kết quả từ opamp. Vì phản hồi ở dạng sóng tam giác, giá trị trung bình của dạng sóng biểu thị chính xác 50% các đỉnh thực tế của dạng sóng tam giác.

Điều này ngụ ý rằng giá trị trung bình kết quả của tín hiệu hiện tại của sóng tam giác sẽ là = Dòng điện dẫn x R cảm giác hoặc chỉ đơn giản là đặt một nửa mức tham chiếu đặt trước (Vref) của opamp.

Tần số của bộ điều chỉnh sử dụng nguyên tắc trên sẽ phụ thuộc vào điện áp đường dây và dòng tải. Tần số có thể cao hơn nhiều ở điện áp đường dây cao hơn và có thể thay đổi khi đầu vào đường dây thay đổi.

Chế độ dẫn tới hạn được gắn tần số (FCCrM)

Mặc dù phổ biến trong các ứng dụng điều khiển PFC cung cấp điện công nghiệp khác nhau, bộ điều khiển CrM được giải thích ở trên có một số nhược điểm cố hữu.

Lỗ hổng chính của loại điều khiển PFC tích cực này là sự không ổn định tần số của nó đối với điều kiện đường dây và tải, cho thấy sự gia tăng tần số khi tải nhẹ hơn và điện áp đường dây cao hơn, đồng thời mỗi khi sóng sinewave đầu vào tiếp cận các điểm giao cắt bằng không.

Nếu một nỗ lực được thực hiện để khắc phục vấn đề này bằng cách thêm một kẹp tần số, dẫn đến đầu ra có dạng sóng dòng điện bị méo, điều này dường như không thể tránh khỏi do thực tế là “Ton” vẫn chưa được điều chỉnh cho quy trình này.

Tuy nhiên, sự phát triển của một kỹ thuật thay thế giúp đạt được hiệu chỉnh hệ số công suất thực ngay cả ở chế độ không liên tục (DCM). Nguyên lý hoạt động có thể được nghiên cứu trong Hình dưới đây và với các phương trình kèm theo.

Tham khảo sơ đồ trên, dòng điện đỉnh cuộn dây có thể được đánh giá bằng cách giải:

Dòng điện cuộn dây trung bình có tham chiếu đến chu kỳ chuyển mạch (được giả thiết bổ sung là dòng điện tức thời cho chu kỳ chuyển mạch nhất định, do thực tế là tần số chuyển mạch thường cao hơn tần số đường dây mà các biến thể của điện áp đường dây diễn ra ), được biểu thị bằng công thức:

Kết hợp mối quan hệ trên và đơn giản hóa các thuật ngữ sẽ cho kết quả sau:

Biểu thức trên chỉ ra rõ ràng và ngụ ý rằng trong trường hợp một phương pháp được thực hiện trong đó một thuật toán quan tâm đến việc duy trì ton.tcycle / Tsw ở mức không đổi, nó sẽ cho phép chúng ta đạt được dòng điện dạng sóng có hệ số công suất thống nhất ngay cả khi không liên tục phương thức hoạt động.

Mặc dù những cân nhắc ở trên cho thấy một số lợi ích khác biệt đối với kỹ thuật bộ điều khiển DCM được đề xuất, nhưng nó dường như không phải là lựa chọn lý tưởng vì mức dòng điện đỉnh cao liên quan, như được minh họa trong bảng sau:

Để đạt được điều kiện PFC lý tưởng, một cách tiếp cận hợp lý sẽ là thực hiện một điều kiện trong đó chế độ hoạt động DCM và Crm được hợp nhất để vắt sữa tốt nhất trong số hai đối tác này.

Do đó, khi điều kiện tải không nặng và CrM chạy ở tần số cao, mạch sẽ chuyển sang chế độ hoạt động DCM, và trong trường hợp khi dòng tải cao, điều kiện Crm được phép duy trì để dòng điện đạt cực đại không có xu hướng vượt qua giới hạn cao không mong muốn.

Loại tối ưu hóa này trên hai chế độ điều khiển được đề xuất có thể được hình dung tốt nhất trong hình sau đây, nơi lợi ích của hai chế độ điều khiển được hợp nhất để đạt được các giải pháp mong muốn nhất.

Tiếp tục chế độ dẫn

Chế độ dẫn liên tục của PFC có thể trở nên khá phổ biến trong các thiết kế SMPS do tính năng và phạm vi ứng dụng linh hoạt của chúng và một số ưu điểm đi kèm.

Trong chế độ này, ứng suất đỉnh hiện tại được duy trì ở mức thấp hơn dẫn đến giảm thiểu tổn thất chuyển mạch trong các thành phần liên quan và hơn nữa gợn sóng đầu vào được hiển thị ở mức tối thiểu với tần số tương đối ổn định, do đó cho phép quá trình làm mịn đơn giản hơn nhiều cho giống nhau.
Các thuộc tính sau liên quan đến loại CCM của PFC cần được thảo luận kỹ hơn một chút.

Kiểm soát Vrms2

Một trong những thuộc tính quan trọng với hầu hết các thiết kế PFC được áp dụng phổ biến là tín hiệu tham chiếu cần phải là một sự bắt chước thảo nguyên của điện áp đầu vào đã được chỉnh lưu.

Tương đương được chỉnh lưu tối thiểu này của điện áp đầu vào cuối cùng được áp dụng trong mạch để định hình dạng sóng chính xác cho dòng điện đầu ra.

Như đã thảo luận ở trên, giai đoạn mạch nhân thường được sử dụng cho hoạt động này, nhưng như chúng ta biết rằng giai đoạn mạch nhân có thể tương đối ít hiệu quả về chi phí hơn so với hệ thống nhân đầu vào twn truyền thống.

Một bố cục ví dụ cổ điển được chứng kiến ​​trong Hình dưới đây thể hiện cách tiếp cận PFC chế độ liên tục.

Như có thể thấy, ở đây bộ chuyển đổi tăng cường được kích hoạt với sự hỗ trợ của PWM chế độ hiện tại trung bình, nó sẽ chịu trách nhiệm xác định kích thước dòng điện dẫn (dòng điện đầu vào cho bộ chuyển đổi), với tham chiếu đến tín hiệu dòng lệnh, V (i) , có thể được coi là tương đương thu nhỏ của điện áp đầu vào V (in) theo một tỷ lệ của VDIV.

Điều này được thực hiện bằng cách chia tín hiệu điện áp lỗi với bình phương của tín hiệu điện áp đầu vào (được làm mịn bởi tụ điện Cf, để tạo ra hệ số tỷ lệ đơn giản có tham chiếu đến mức điện áp đầu vào).

Mặc dù bạn có thể thấy hơi khó xử khi thấy tín hiệu lỗi được chia cho bình phương của điện áp đầu vào, lý do đằng sau biện pháp này là tạo ra độ lợi vòng lặp (hoặc đáp ứng phụ thuộc thoáng qua) có thể không dựa trên điện áp đầu vào kích hoạt.

Bình phương của điện áp ở mẫu số trung hòa với giá trị của Vsin cùng với hàm truyền của điều khiển PWM (tỷ lệ giữa độ dốc đồ thị hiện tại của cảm ứng với điện áp đầu vào).

Tuy nhiên, một nhược điểm của dạng PFC này là tính linh hoạt của hệ số nhân, điều này buộc giai đoạn này phải được thiết kế quá mức một chút, đặc biệt là các phần xử lý nguồn của mạch, để nó duy trì được ngay cả những tình huống tiêu tán điện trong trường hợp xấu nhất.

Kiểm soát chế độ hiện tại trung bình

Trong hình trên, chúng ta có thể thấy cách tín hiệu tham chiếu được tạo ra từ hệ số nhân V (i) biểu thị hình dạng của dạng sóng và phạm vi mở rộng của dòng đầu vào PFC.

Giai đoạn PWM được chỉ định có trách nhiệm đảm bảo dòng điện đầu vào trung bình ngang bằng với giá trị tham chiếu. Thủ tục được thực hiện thông qua một giai đoạn bộ điều khiển chế độ hiện tại trung bình, như có thể thấy trong hình bên dưới.

Điều khiển chế độ dòng điện trung bình về cơ bản được cấu hình để điều chỉnh dòng điện trung bình (đầu vào / đầu ra) với tham chiếu đến tín hiệu điều khiển Icp, lần lượt được tạo ra bằng cách sử dụng vòng lặp DC tần số thấp thông qua giai đoạn mạch khuếch đại lỗi và điều này không có gì khác ngoài dòng điện tương đương tương ứng với tín hiệu Vi được hiển thị trong hình trước đó.

Bộ khuếch đại dòng điện giai đoạn hoạt động như một bộ tích hợp dòng điện cũng như một bộ khuếch đại lỗi, để điều chỉnh hình dạng của dạng sóng, trong khi tín hiệu Icp được tạo ra qua Rcp sẽ chịu trách nhiệm thực hiện điều khiển điện áp đầu vào DC.

Để đảm bảo đáp ứng tuyến tính từ bộ khuếch đại hiện tại, đầu vào của nó bắt buộc phải tương tự, có nghĩa là chênh lệch tiềm năng được tạo ra trên R (shunt) cần phải tương tự với điện áp được tạo ra xung quanh Rcp, bởi vì chúng ta không thể có một DC thông qua đầu vào điện trở không đảo của bộ khuếch đại hiện tại.

Đầu ra do bộ khuếch đại hiện tại tạo ra được cho là tín hiệu lỗi 'tần số thấp' tùy thuộc vào dòng điện trung bình của shunt, cũng như tín hiệu từ Isp.

Bây giờ một bộ dao động tạo ra một tín hiệu răng cưa được sử dụng để so sánh tín hiệu trên với nó, giống như được thực hiện với thiết kế điều khiển chế độ điện áp.

Điều này dẫn đến việc tạo ra các PWM được xác định bằng cách so sánh hai tín hiệu được đề cập ở trên.

Giải pháp PFC nâng cao

Các phương pháp điều khiển PFC khác nhau như đã thảo luận ở trên (CrM, CCM, DCM) và các biến thể của chúng cung cấp cho các nhà thiết kế các tùy chọn khác nhau để cấu hình mạch PFC.

Tuy nhiên, bất chấp các tùy chọn này, việc tìm kiếm nhất quán để đạt được các mô-đun tốt hơn và nâng cao hơn về mặt hiệu quả đã giúp cho các thiết kế phức tạp hơn có thể được chẩn đoán cho các ứng dụng này.

Chúng ta sẽ thảo luận thêm về vấn đề này vì bài viết này được cập nhật những thông tin mới nhất về chủ đề này.