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Diseñar una corrección del factor de potencia más efectiva usando semiconductores de banda ancha y control digital

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Para cumplir con estas regulaciones ante la constante presión de mejorar el rendimiento general dentro de los cada vez más reducidos factores de forma, los diseñadores están recurriendo a diseños de PFC activos que aprovechan las técnicas de control digital y los semiconductores de banda ancha como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN).
En este artículo se revisan los conceptos y definiciones del PF, incluyendo las diferentes definiciones entre el IEEE y el IEC y las normas asociadas. A continuación, introduce soluciones para el PFC de proveedores como STMicroelectronicsTransphormMicrochip Technology y Infineon Technologies que los diseñadores pueden utilizar para implementar PFC usando semiconductores de banda ancha y control digital, incluyendo el uso de placas de evaluación.

¿Qué es la corrección del factor de potencia y por qué es necesaria?

La PF es una medida del nivel de potencia reactiva en un sistema. La potencia reactiva no es la verdadera potencia, sino que representa el impacto de los voltios y amperios que están desfasados entre sí (Figura 1). Como están desfasados, no pueden contribuir eficazmente al trabajo, pero siguen apareciendo como una carga para la línea de alimentación de la red de CA. La cantidad de potencia reactiva en un sistema es una medida del nivel de ineficiencia de la transferencia de energía. El PFC activo utiliza la electrónica de potencia para cambiar la fase y/o la forma de la onda de corriente arrastrada por una carga para mejorar el PF. El uso de PFC aumenta la eficiencia general del sistema.

La imagen de la PF se define como el coseno de θ

Figura 1: El PF se define como el coseno de θ y representa la relación entre la potencia real absorbida por la carga y la potencia aparente que fluye en el circuito. La diferencia entre los dos es causada por la potencia reactiva. A medida que la potencia reactiva se acerca a cero, la carga parece más puramente resistiva, la potencia aparente y la potencia real se igualan, y el FP se convierte en 1.0. (Fuente de la imagen: Wikipedia)

La pobre FP puede surgir en cargas lineales o no lineales. Las cargas no lineales distorsionan la forma de onda del voltaje o de la corriente, o ambos. Cuando se trata de cargas no lineales, se llama distorsión PF.
Una carga lineal no distorsiona la forma de la onda de entrada, pero puede cambiar el tiempo relativo (fase) entre el voltaje y la corriente debido a su inductancia y/o capacitancia (Figura 2). Los circuitos eléctricos que contienen cargas predominantemente resistivas (por ejemplo, lámparas incandescentes y elementos calefactores) tienen un FP de casi 1.0, pero los circuitos que contienen cargas inductivas o capacitivas (por ejemplo, los convertidores de potencia de conmutación, los motores eléctricos, las válvulas solenoides, los transformadores y los balastos de las lámparas) pueden tener un FP muy inferior a 1.0.

Imagen de la potencia instantánea y media calculada a partir de la tensión y la corriente alterna

Figura 2: Potencia instantánea y media calculada a partir del voltaje y la corriente de CA con un PF retardado, es decir, donde la corriente está por debajo del voltaje de 0.71 de una carga lineal. (Fuente de la imagen: CUI, Inc.)

La mayoría de las cargas electrónicas no son lineales. Ejemplos de cargas no lineales son los convertidores de energía de conmutación y los dispositivos de descarga de arco como las lámparas fluorescentes, las máquinas de soldadura eléctrica o los hornos de arco. Debido a que la corriente en estos sistemas se interrumpe por una acción de conmutación, la corriente contiene componentes de frecuencia que son múltiplos de la frecuencia del sistema de energía. La distorsión PF es una medida de cuánto la distorsión armónica de una corriente de carga disminuye la potencia media transferida a la carga.

Imagen del voltaje sinusoidal (amarillo) y la corriente no sinusoidal (azul)

Figura 3: El voltaje sinusoidal (amarillo) y la corriente no sinusoidal (azul) dan un PF de distorsión de 0.75 para esta fuente de alimentación del ordenador, que es una carga no lineal. (Fuente de la imagen: Wikipedia)

La diferencia entre el FP rezagado y el líder

Un FP retardado denota que la corriente se retrasa (está por detrás) del voltaje, y un FP adelantado denota que la corriente se adelanta (está por delante) del voltaje. Para las cargas inductivas (por ejemplo, motores de inducción, bobinas y algunas lámparas), la corriente se retrasa con respecto al voltaje, produciendo un FP retardado. En el caso de las cargas capacitivas (por ejemplo, condensadores síncronos, bancos de condensadores y convertidores electrónicos de potencia), la corriente conduce el voltaje, lo que da lugar a un FP principal.
La distinción de rezagado o adelantado no equivale a un valor positivo o negativo. El signo negativo y positivo que precede a un valor de PF está determinado por la norma utilizada, ya sea el IEEE o el IEC.

PF y el IEEE contra el IEC

Los diagramas de la figura 4 muestran la correlación entre los kilovatios (kW) de potencia, la potencia reactiva de voltios y amperios (var), el factor de potencia y las cargas inductivas o capacitivas tanto para las normas del IEEE como del IEC. Cada organización utiliza diferentes métricas para clasificar la PF.

Diagrama de las convenciones de signos de factor de potencia de la CEI y el IEEE

Figura 4: Según la CEI (izquierda), el signo del factor de potencia depende únicamente de la dirección del flujo de potencia real y es independiente de que la carga sea inductiva o capacitiva. Según el IEEE (derecha), el signo del factor de potencia depende únicamente de la naturaleza de la carga (es decir, capacitiva o inductiva). En este caso, es independiente de la dirección del flujo de energía real. (Fuente de la imagen: Schneider Electric)

Según la CEI (lado izquierdo de la figura 4), el signo del FP depende únicamente de la dirección del flujo de energía real y es independiente de que la carga sea inductiva o capacitiva. Según el IEEE (lado derecho de la figura 4), el signo de PF depende únicamente de la naturaleza de la carga (que es capacitiva o inductiva). En este caso, es independiente de la dirección del flujo de energía real. Para una carga inductiva, el FP es negativo. Para una carga capacitiva, el FP es positivo.

Normas de PF

Las autoridades reguladoras, como la UE, han establecido límites armónicos para mejorar el FP. Para cumplir con la norma actual de la UE EN61000-3-2 (que se basa en la IEC 61000-3-2), todas las fuentes de alimentación conmutadas con una potencia de salida superior a 75 vatios deben incluir PFC. La certificación de fuente de alimentación 80 PLUS de EnergyStar requiere un PF de 0.9 o más al 100% de la potencia de salida nominal y requiere un PFC activo. La última edición de la norma CEI en el momento de escribir esto es: IEC 61000-3-2:2018, «Compatibilidad electromagnética (EMC) – Parte 3-2: Límites – Límites para las emisiones de corriente armónica (corriente de entrada del equipo ≤16 A por fase)».
Los convertidores de potencia no corregidos no cumplen con los estándares actuales de PFC. Una consideración que afecta a la PF es qué tipo de entrada de CA se utiliza: monofásica o trifásica. Las fuentes de alimentación de conmutación monofásicas sin corregir suelen tener un FP de aproximadamente 0.65 a 0.75 (utilizando la convención del IEEE para el signo de FP descrito anteriormente). Esto se debe a que la mayoría de las unidades utilizan un rectificador/condensador en la parte delantera para hacer un voltaje de bus de CC. Esta configuración sólo extrae corriente en el pico de cada ciclo de línea, creando pulsos de corriente estrechos y altos que dan como resultado un FP deficiente (véase la figura 3, arriba).
Los convertidores de potencia trifásicos sin corregir tienen un FP más alto, a menudo cercano a 0.85 (también usando la convención del IEEE para el signo de FP). Esto se debe a que aunque se utiliza un rectificador/condensador para hacer un voltaje de bus de CC, hay tres fases que mejoran adicionalmente el FP general. Sin embargo, ni los convertidores de potencia monofásicos ni trifásicos pueden cumplir con las regulaciones actuales de PF sin el uso de un circuito de corrección de PF activo.

Usando semiconductores de WBG y control digital para diseñar PFC activo

El uso de técnicas de control digital y de semiconductores de potencia de banda ancha, incluyendo GaN y SiC, proporciona a los diseñadores nuevas opciones para los circuitos PFC activos que pueden ofrecer mayores eficiencias y mayores densidades de potencia en comparación con los diseños PFC activos basados en control analógico o los diseños PFC pasivos.
Los diseñadores pueden sustituir los controladores analógicos por técnicas avanzadas de control digital o complementar el control analógico con elementos adicionales de control digital, incluidos los microcontroladores, para lograr el máximo rendimiento del PFC. En algunos casos, los semiconductores WBG también pueden ser utilizados para mejorar el rendimiento del PFC.
La disminución del costo de los componentes ha acelerado la aplicación de dos métodos diferentes para el PFC: diseños intercalados y diseños sin puente. Cada enfoque aporta un conjunto diferente de beneficios:

  • Beneficios de PFC intercalados:
    • Mayor eficiencia
    • Mejor distribución del calor
    • Reducción de la corriente RMS a través de la etapa PFC
    • Modularidad
  • Beneficios de PFC Bridgeless:
    • Mayor eficiencia
    • Reduce a la mitad las pérdidas en la rectificación de entrada
    • Mejor distribución del calor
    • Mayor densidad de potencia

El controlador PFC de tres canales intercalados combina el control analógico y el digital

El controlador STNRGPF01 de STMicroelectronics es un ASIC configurable que combina el control digital y analógico, y puede manejar hasta tres canales en un PFC intercalado (Figura 5). El dispositivo funciona en modo de conducción continua (CCM) a una frecuencia fija con control de modo de corriente promedio e implementa un control de señal mixta (analógica/digital). El bucle de corriente interna analógica es realizado por el hardware, asegurando la regulación ciclo a ciclo. El bucle de tensión exterior se realiza mediante un controlador digital proporcional-integral (PI) con una rápida respuesta dinámica.

Diagrama de bloques funcional del controlador PFC STNRGPF01 de STMicroelectrónica

Figura 5: Un diagrama funcional de bloques del STNRGPF01 muestra la sección de control analógico interior (rojo) y la sección de control digital exterior (verde) en una aplicación PFC trifásica intercalada. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

El STNRGPF01 implementa una estrategia flexible de eliminación de fases que permite el número correcto de canales PFC basado en la condición de carga real. Con esta función, el STNRGPF01 siempre es capaz de garantizar la mayor eficiencia energética en una amplia gama de requisitos de corriente de carga.
El controlador implementa varias funciones: control de corriente de entrada, arranque suave, gestión de enfriamiento en modo ráfaga e indicación de estado. También cuenta con un conjunto completo de protecciones incorporadas contra sobretensión, sobrecorriente y fallas térmicas.
Para ayudar a los diseñadores a iniciarse, STMicroelectronics también ofrece la placa de evaluación de potencia PFC de 3 kWSTEVAL-IPFC01V1 que se basa en el STNRGPF01 (Figura 6). Las características y especificaciones incluyen:

  • Rango de tensión de entrada: 90 a 265 VCA
  • Rango de frecuencia de la línea: 47 a 63 Hertz (Hz)
  • Potencia máxima de salida: 3 kW a 230 voltios
  • Voltaje de salida: 400 voltios
  • PF: >0.98 al 20% de carga
  • Distorsión armónica total: <5% a 20% de carga
  • Control de señales mixtas
  • Frecuencia de conmutación: 111 kilohercios (kHz)
  • Regulación ciclo a ciclo (bucle de control de corriente analógica)
  • Voltaje de entrada y alimentación de carga
  • Reducción de fase
  • Operación en modo ráfaga

Imagen del diagrama de bloques STEVAL-IPFC01V1 de STMicroelectronics

Figura 6: Diagrama de bloques de STEVAL-IPFC01V1 mostrando: 1. Señales de medición E/S; 2. Circuitos analógicos; 3. Etapa de potencia; 4. Sección de control digital con el controlador digital STNRGPF01; en un PFC trifásico intercalado. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Además del controlador de señal mixta STNRGPF01, esta placa de evaluación incluye MOSFETS STW40N60M2 de canal N, 600 voltios, 34 amperios (A) de potencia de silicio de bajo Qg y CI de controlador de puerta PM8834TR.

PFC de polo tótem sin puente con FET de GaN

Las topologías de PFC sin puente se desarrollaron para eliminar las caídas de tensión y las ineficiencias asociadas al uso de la rectificación de puente de diodos. Los PFC de los polos tótem sin puente han sido posibles gracias a la aparición de los semiconductores de potencia WBG como el GaN y el SiC (Figura 7). En un diseño de polo tótem convencional (a), se utilizan dos FET de GaN y dos diodos para la rectificación de la línea. En una modificación del polo tótem sin puente (b), los diodos son reemplazados por dos MOSFET de silicio de baja resistencia para reemplazar las caídas de corriente-tensión (IV) de los diodos para mejorar la eficiencia.

El diagrama de dos FET de GaN y dos diodos se utilizan para la rectificación de la línea

Figura 7: Se utilizan dos FET de GaN y dos diodos para la rectificación de la línea en un diseño de polo tótem convencional (a); en un circuito modificado (b), los diodos se sustituyen por dos MOSFET de silicio de baja resistencia para reemplazar las caídas de tensión de corriente de los diodos para mejorar la eficiencia en el polo tótem sin puente. (Fuente de la imagen: Transphorm)

La carga de recuperación inversa (Qrr) significativamente más pequeña de los transistores de alta movilidad de electrones (HEMT) de GaN comparada con la de los MOSFET de silicio hace que los diseños de los tótems sin puente sean prácticos (Figura 8). En este esquema simplificado de un PFC de polo tótem en la MCC, el enfoque está en minimizar las pérdidas de conducción.

Esquema simplificado de un PFC de polo tótem en modo CCM (hacer clic para ampliar)

Figura 8: El esquema simplificado de un PFC de polo tótem en modo CCM comprende dos HEMT de GaN de conmutación rápida (Q1 y Q2) que funcionan a una frecuencia de modulación de alta anchura de pulso y actúan como convertidor de refuerzo, y dos MOSFET de muy baja resistencia (S1 y S2) que funcionan a una frecuencia de línea mucho más lenta (50Hz/60Hz). (Fuente de la imagen: Transphorm)

El circuito consta de dos HEMT de GaN de conmutación rápida (Q1 y Q2) y dos MOSFETs de muy baja resistencia (S1 y S2). Q1 y Q2 operan a una frecuencia de modulación de ancho de pulso (PWM) alta y actúan como un convertidor de impulso. S1 y S2 funcionan a una frecuencia de línea mucho más lenta (50 Hz/60 Hz) y funcionan como un rectificador sincronizado. La ruta de corriente primaria incluye un interruptor rápido y uno lento solamente, sin caída de diodos. El papel de S1 y S2 es el de un rectificador sincronizado, como se ilustra en 8(b) y 8(c). Durante el ciclo positivo de CA, S1 está encendida y S2 está apagada, forzando a la línea neutra de CA atada al terminal negativo a la salida de CC. Lo contrario se aplica para el ciclo negativo.
Para permitir el funcionamiento del CCM, el diodo del cuerpo del transistor esclavo debe funcionar como un diodo de retroceso para que la corriente del inductor fluya durante el tiempo muerto. La corriente de diodos, sin embargo, debe reducirse rápidamente a cero y pasar al estado de bloqueo inverso una vez que se encienda el interruptor principal. Este es el proceso crítico para un PFC de polo tótem, que con el alto Qrr del diodo del cuerpo de los MOSFET de Si de alto voltaje, resulta en picos anormales, inestabilidad y altas pérdidas de conmutación asociadas. El bajo Qrr de los interruptores de GaN permite a los diseñadores superar esta barrera.
Los diseñadores pueden estudiar el funcionamiento del circuito utilizando la placa de evaluación de PFC TDTTP4000W066C de Transphorm de 4 kW, de polos tótem y sin puente. Utiliza el módulo digital de alimentación (PIM) MA330048 dsPIC33CK256MP506 de Microchip Technology, como controlador. La conversión monofásica de muy alta eficiencia se logra con los FET de GaN Gen IV (SuperGaN) TP65H035G4WS de Transphorm. El uso de FET de GaN Transphorm en la parte del circuito que cambia rápidamente y de MOSFET de baja resistencia en la parte del circuito que cambia lentamente resulta en un mejor rendimiento y eficiencia.

El tótem bidireccional PFC combina FET de silicio y FET de SiC

Para los diseñadores de vehículos eléctricos a batería con interacción con la red y sistemas de almacenamiento de energía a batería, Infineon ofrece la placa de evaluación EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1, un corrector de PF de 3300 vatios de polo tótem con capacidad de alimentación bidireccional (Figura 9). Esta placa PFC de poste tótem sin puente ofrece una alta densidad de potencia de 72 vatios por pulgada cúbica. El polo tótem implementado en la placa EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 funciona en CCM tanto en modo rectificador (PFC) como en modo inversor, con una implementación de control totalmente digital utilizando el microcontrolador de la serie XMC1000 de Infineon.

Diagrama de bloques de la placa de evaluación de PFC de polos tótem de 3300 vatios EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 de Infineon Technologies.

Figura 9: Un diagrama de bloques de la tarjeta de evaluación PFC EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 de polo tótem de 3300 vatios muestra la topología que proporciona la densidad de potencia de 72 vatios por pulgada cúbica especificada en la tarjeta. (Fuente de la imagen: Infineon Technologies)

Este PFC del tótem utiliza una combinación de los MOSFET de potencia de silicio CoolSiC IMZA65R048M1 de Infineon de 64 miliohm (mΩ) y 650 voltios, y sus MOSFET de potencia de silicio CoolMOS C7IPW60R017C7 de 17 mΩ y 600 voltios. El convertidor funciona exclusivamente en línea alta (176 voltios rms mínimo, 230 voltios rms nominales) en CCM con una frecuencia de conmutación de 65 kHz y alcanza una eficiencia de hasta el 99% a media carga. Los dispositivos adicionales de Infineon utilizados en esta solución de polo tótem bidireccional de 3300 vatios (PFC/CA-CC e inversor/CA-CC) incluyen:

  • Controladores de puerta aislados 2EDF7275FXUMA1
  • Controlador de flyback QR ICE5QSAGXUMA1 con un MOSFET CoolMOS P7 IPU95R3K7P7 de 950 voltios para la alimentación auxiliar de polarización
  • Microcontrolador XMC1404 para la implementación del control del PFC

Conclusión:

Un FP bajo introduce ineficiencias en la red de suministro y en los convertidores de energía, lo que hace necesario el PFC para una variedad de equipos alimentados por la red de CA, con reglamentos que dictan niveles mínimos de FP para tipos específicos de dispositivos electrónicos. Para cumplir esos requisitos reglamentarios y, al mismo tiempo, atender a la necesidad de contar con factores de forma más pequeños y un mayor rendimiento, los diseñadores necesitan una alternativa a las técnicas de PFC pasivas simples y de bajo costo.
Como se muestra, los diseñadores pueden en su lugar implementar diseños de PFC activos utilizando técnicas de control digital y semiconductores WBG como SiC y GaN para lograr mayores PF y diseños más compactos.ç
Fuente: Digikey

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