Bu web sitesinde; FORUM, BLOG ve MENÜ' lerde üyelik gerektiren makalelere tam erişim için Lütfen BLOG' a üye olunuz.
PFC Hakkında Her Şey-1
Bu yazımda pratik tasarım haricinde PFC hakkındaki hemen hemen
tüm konulara değinmeye çalıştım. İkinci yazımda PFC ile ilgili
pratik örnekler vereceğim.
PFC (Power Factor Correction) Nedir?
PFC, güç faktörü düzeltme demektir. Basit yükler şebekeden reaktif güç çekmez iken, karmaşık yapılı yükler şebekeden aktif gücün yanında reaktif güç de çekerler.
Güç Faktörü (PF), elektrik gücünün ne kadar verimli tüketildiğini açıklamanın bir yoludur.
Gerçek Gücün (kW), Görünen Güce (kVA) oranıdır. Verimli, tamamen dirençli bir devrede, yüke iletilen tüm akım gerçek işe (kW) dönüştürülür.
Bu nedenle kW = kVA ve Güç Faktörü (PF) = 1 (Birim)
Reaktif gücün elektromanyetik cihazlarda manyetik alan oluşturması, gereksiz yere hattı ve üretim iletim aygıtlarını yükleyerek gerilim düşümüne ve kayıplara yol açması nedeniyle şebekeden çekilen reaktif gücün sıfır (PF=Power Factor: Güç Kaysayısı=cos Ø=1) olması istenir.
Genel olarak; PF, 0 ile 1 arasında değişebilir. PF ne kadar yüksekse, elektrik o kadar etkili kullanılır. Kusurlu PF' nin iki nedeni, akım bozulmaları ve aynı frekansın gerilim ve akım harmonikleri arasındaki faz kaymasıdır.
Güç faktörü üçgeni gerçek güç, reaktif güç ve görünen güç ile ilişkilidir. Güç faktörü (PF) kavramı hakkında konuşarak başlayalım. Akım ve gerilim dalga biçimleri arasındaki faz açısını temsil eden kosinüs olarak da tanımlanabilir. Güç faktörünün değeri, 0 ile 1 arasında değişebilir. Akım ve gerilim aynı fazda olduğunda, güç faktörü 1'dir.
Mükemmel sinüs dalgası gücüne sahip doğrusal bir yük varsayıldığında(Alttaki Şekil), bir elektrik güç sisteminin güç faktörü, gerçek güç (kW) ile görünen güç (kVA) arasındaki orandır.
Aşağıda, bir güç faktörüne sahip ideal sinüzoidal dalgalar görülmektedir. İdeal sinüzoidal dalgalar, genellikle yükler doğrusal olan (akım ve voltaj ile değişmeyen) dirençli, kapasitif ve endüktif elemanlardan oluştuğunda ortaya çıkar. Bu tip güç faktörü tipik olarak elektrik motorları gibi endüstriyel ekipmanlarla ilişkilidir.
Şekil: AC şebeke voltajı ve akım sinüs dalgaları
Günümüzde, doğrusal olmayan yüklere sahip elektronik cihazlar arasında sinüzoidal olmayan bir dalga formunda akımı çeken güç faktörünü (Alttaki Şekil) bulmak çok yaygındır . Bu tür elektronik cihazlar, daha iyi kontrol veya enerji tasarrufu için güç dönüşümünü kullanır. Bu tür bir güç dönüşümü, tipik olarak PC' lerde, görsel-işitsel ekipmanlarda, floresan aydınlatmada, karartıcılarda, fotokopi makinelerinde, pil şarj cihazlarında, askeri ve ticari vb. bulunan anahtarlamalı mod güç kaynakları kullanılarak elde edilir.
Aşağıda, akım dalgasında ciddi bir bozulma ile sinüzoidal olmayan dalga formlarını görüyoruz.
Düşük güç faktörünün iki sebebi vardır;
Birincisi, devredeki kapasitif ve endüktif yükler sebebi ile oluşan düşük güç çarpanı(PF), Akım Sinüzoidal, Faz kayık, THD(Total Harmonic Distortion) düşük olduğundan, devreye Paralel Kapasitans ve Endüktans ile kompanzasyon yapılarak çözülür.
İkincisi, kontrolsüz doğrultucular gibi harmonikli akım çeken yüklerin oluşturduğu düşük güç çarpanıdır. Akım non-Sinüzoidal, faz kayık ya da değil, THD yüksektir.
Güç Faktörünü Neden İyileştirmelisiniz?
Güç Faktörü Düzeltme (PFC), endüktif elemanların etkilerine karşı koymak ve voltaj ile akım arasındaki faz kaymasını azaltmak için kullanılır.
Uygulamanıza bağlı olarak PF' yi düzeltmenin birkaç nedeni vardır:
-
Zayıf bir güç faktörü, güç kaynağından çekilen yüksek RMS ve tepe akımlara neden olur. Bu, elektrik şirketlerinde daha yüksek bir iletim kaybı anlamına gelir. Daha yüksek bir akım, pahalı olan daha büyük iletim hatları gerektirebilir ve ekipmanı çok sık tamir gerektirebilir. Bu arada elektrik şirketleri kayıpları tüketicilerine yüklüyor.
-
Zayıf bir güç faktörü, yüksek akım harmoniklerine neden olur ve bu potansiyel olarak titreşim sorunlarına neden olur. Ürün LED aydınlatmada veya herhangi bir aydınlatmada kullanılacaksa, titreme etkisi çok belirgin olacaktır.
-
Daha düşük güç faktörlü bir ürün pazardaki rekabet gücünü kaybedecektir.
-
PF <1 olduğunda; hatta dolaşan, çalışma gücünü aktarmayan, ancak kablolamada ısı dağılımına neden olan, jeneratörlere ekstra yük oluşturan ve daha büyük elektrik üreten ekipman gerektiren AC akımları olduğunu biliyoruz. Bu nedenle, elektrik hizmetleri, PF < 0,95 olduğunda büyük müşterilerden ek ücret talep edebilir, toplam kVA için fatura kesebilir veya fazla kVAR' lar için ek ücret ekleyebilir. Bu nedenle, bir endüstriyel tesis için PFC' den enerji maliyeti tasarrufunun faydaları olabilir.
-
Elektroniğe gelince, EN61000-3-2, gibi belirli türdeki ürünlerin (PC'ler, TV setleri, askeri ürünler vb.) Şebekeye enjekte edebileceği harmonikleri sınırlayan düzenlemeler vardır.
-
Doğrudan PF' yi düzenleyen uluslararası standartlar olmamasına rağmen, bunu düzeltmek otomatik olarak harmonik bozulmaları azaltır. Dolayısıyla, PSU tasarımcıları için PFC' yi kullanmanın ana nedeni, ne üreticiye ne de kullanıcıya doğrudan maliyet avantajı sağlamasa da, uygulamaları için belirli bir harmonik içerik gereksinimini karşılamaktır. Son olarak, uygulamalarda düşük PF, prizleri ve devre kesici güç özelliklerini azaltır.
-
Harmonikler yüke herhangi bir gerçek enerji sağlamaz, ancak kablolama ve dağıtım ekipmanında ek ısınmaya neden olur. Ayrıca, devre kesiciler watt yerine elektrik akımı ile derecelendirildiğinden, standart bir duvar prizinden alınabilecek maksimum watt miktarını da düşürürler.
-
EN61000-3-2 (genel alçak gerilim dağıtım sistemlerine bağlı ekipmanlar için) veya DO-160 (havadan taşınan ekipman için) gibi giriş harmonik içeriğini sınırlayan çeşitli düzenlemeler vardır. Bu gereksinimleri karşılamak için bir PF düzeltme tekniği kullanmanız gerekir. Yüksek PF' ye sahip bir cihaz, kaynaktan neredeyse sinüzoidal bir akım çeker (sinüzoidal bir girişte). Bu da otomatik olarak düşük harmonik içeriğe neden olur.
Şu anda, bir elektronik ekipmanın "PF" sini özel olarak düzenleyen zorunlu uluslararası standartlar yoktur, ancak çeşitli ulusal ve endüstri standartlarının yanı sıra gönüllü teşvik programları da vardır.
Bir PSU'nun tanımı gereği verimlilik, çıkış ve giriş gücünün watt olarak değerleri arasındaki orandır:
Verimlilik = Pout / Pin.
Pin = VA * PF olduğundan ve herhangi bir gerçek aktif devrenin PF <1 olduğundan, sadece giriş voltajlarını ve amperleri çarpamazsınız. Gücü ölçmek için gerçek bir wattmetreye ihtiyacınız vardır.
Aşağıdaki örneği ele alalım;
Elektriksel verimi %80 olan bir cihaz tasarladığımızı düşünelim. Şebekeden, sürekli olarak 12A'ya kadar çekelim.
Yükümüzün PF = 1 olması durumunda (taşınabilir alan ısıtıcılarında veya ampullerde olduğu gibi), bu bizi 220Vx12A = 2640 W' a çıkarır.
Ancak, örneğin PF = 0.7 ise, yalnızca 120Vx12Ax0.7 = 1848 W' a kadar elde edebildik, bu %30 daha az.
Benzer şekilde, devre kesiciler gerçek watt yerine net akımdan etkilenir. Aynı kesiciden beslenen birkaç priziniz varsa, PFC' li cihazlar %30 daha fazla watt çekmenize izin verebilir.
THD Nedir? Neden Önemlidir?
THD, Toplam Harmonik Distorsiyon demektir. İngilizce olarak ta THD (Total Harmonic Distortion) aynı harflerle ifade edilir.
Toplam harmonik bozulma veya THD, güç kaynağı kalitesini ölçmenin bir yoludur. Gerilim ve akım dalga biçimlerinin ne kadar harmonik bileşen içerdiğini gösterir ve bunun sonucunda oluşan dalga biçimi bozulmasının boyutunun bir göstergesi olarak hizmet eder.
PFC devresinden çıkan güç, AC güç anahtarlamalı güç kaynağının yüküne aktarılır. Bu durumda; temel frekansta sağlanan güce ek olarak, harmonik frekanslarda da güç aktarımı yapılması sağlanacaktır.
Şekil: Tam Dalga Doğrultucu.
Şekil, bir anahtarlı güç kaynağının tipik bir redresör ön ucunun temel devre konfigürasyonunu göstermektedir. Bu doğrultucu devresinin çıkışında, gelen AC beslemesini düşük dalgalı DC voltajına dönüştürmek için bir filtre görevi gören bir kapasitör vardır.
Şekil: Tam Dalga Doğrultucu Aşaması Dalga Biçimleri. Üst: Giriş Voltajı; Orta: Çıkış Voltajı; Alt: Giriş Akımı.
Yukarıdaki Şekil’ de gösterildiği gibi tam dalga doğrultucu tarafından çizilen darbeli akım dalga formu gibi bozuk akım dalga formu, besleme frekansındaki temel bileşen ve besleme frekansının katları olan bir dizi harmonikten oluşur.
Şekil: Tam Dalga Doğrultucu Devresinde Titreşen Akımın Harmonik Spektrumu.
Ortaya çıkan akım dalga formu doğada titreşir ve Yukarıdaki Şekil’ de gösterildiği gibi birkaç harmonik içerir. Titreşimli dalga biçimi her iki yarım döngüde de simetrik olduğundan, harmonik spektrum esas olarak tuhaf harmoniklerden oluşur.
Kaynaktan çekilen akım yüksek bir harmonik içeriğe sahip olduğunda, gerçek bir voltaj kaynağı sonlu kaynak empedansına sahip olduğu için tipik olarak voltaj dalga formunun bozulmasına yol açar. Bu da aynı bozuk besleme geriliminden çalışan aynı hatlara bağlanan motorlar ve transformatörler gibi ekipmanda artan kayıplara neden olur. Mevcut dalga formu yüksek bir THD'ye sahip olsa bile, mutlaka zayıf bir PF ile sonuçlanır.
AC besleme voltajı tamamen sinüzoidal ise ve başka herhangi bir frekansta harmonik içermiyorsa, akım dalga formundaki harmoniklerin varlığı yalnızca akım dalga formunun RMS değerini artırır ve ortalama gücü değiştirmeden bırakır. Akımın RMS değerindeki artış, ek iletim hattı kayıplarına neden olur.
Akım dalga formunda temel bileşen dışındaki frekans bileşenleri bulunduğunda, akım dalga formunun toplam harmonik bozulması (THD: total harmonic distortion) şu şekilde hesaplanabilir:
Giriş akımının toplam harmonik distorsiyonu, akım dalga formunun gerçek bir sinüs dalgasından uzaklaşmasının bir ölçüsüdür.
In = akımın n' inci harmoniğinin genliği
I1 = akımın temel bileşeninin genliği
THD’ yi Azaltmanın Önemi
Toplam harmonik bozulma (THD), bir gerilim veya akımdaki bozulmanın ne kadarının sinyaldeki harmoniklerden kaynaklandığını söyleyen bir ölçümdür.
THD, ses, iletişim ve güç sistemlerinde önemli bir husustur. Tipik olarak, ancak her zaman değil, mümkün olduğunca düşük olmalıdır.
THD, düşük THD' nin daha yüksek güç faktörü anlamına geldiği güç sistemleri dahil olmak üzere çeşitli sistem türlerinde önemlidir. Neden? Daha düşük tepe akımları ve daha yüksek verimlilik sağladığından dolayı…
Düşük THD' nin ses sinyalinin orijinal kaydın daha aslına uygun bir şekilde yeniden üretilmesi anlamına geldiği ses sistemleri için önemlidir. Yine; düşük THD' nin diğer cihazlarla daha az parazit ve ilgilenilen sinyal için daha yüksek iletim gücü anlamına geldiği iletişim sistemleri için de önemlidir.
Yüksek kaliteli empedans verileri, yalnızca doğrusal bir yanıt oluşturmaya yetecek kadar küçük, ancak gözlemlenen frekans aralığında iyi bir sinyal / gürültü oranı sağlayacak kadar büyük olan AC genliklerinin uygulanmasıyla elde edilebilir.
Periyodik bir voltajın veya akımın harmonikleri veya harmonik frekansları, ana sinyalin frekansının tam sayı katlarında olan sinyaldeki frekans bileşenleridir. Bu, periyodik bir sinyalin Fourier analizinin gösterdiği temel sonuçtur. Harmonik bozulma, bu harmonikler nedeniyle sinyalin bozulmasıdır.
Sistemlerde THD sınırlarını belirleyen ulusal bir standart bulunmamakla birlikte, kabul edilebilir harmonik bozulma için önerilen değerler vardır.
“Bilgisayarlar ve programlanabilir denetleyiciler gibi yardımcı ekipmanlar sıklıkla %5' ten fazla harmonik gerilim bozulma faktörüne [THD] sahip ac kaynaklarına ihtiyaç duyar ve en büyük tek harmonik temel gerilimin %3' ünden fazla değildir.
Daha yüksek harmonik seviyeleri, bazı durumlarda ciddi sonuçlara yol açabilecek düzensiz, bazen ince, ekipman arızalarına neden olur.
Gerilim harmonikleri üzerindeki limitler bu nedenle THD için %5 ve herhangi bir tek harmonik için %3 olarak ayarlanır. Bununla birlikte, bir sistemde düşük THD değerlerinin tutulması, ekipmanın düzgün çalışmasını ve daha uzun ekipman ömrünü sağlayacaktır.
Harmonikler, dalga biçiminin temel frekansının tam sayı katları olan frekanslara sahiptir. Örneğin, 60Hz'lik bir temel dalga formu verildiğinde, 2., 3., 4. ve 5. harmonik bileşenler sırasıyla 120Hz, 180Hz, 240Hz ve 300Hz'de olacaktır. Bu nedenle, harmonik bozulma, tüm bu harmonik elemanların toplamının bir sonucu olarak bir dalga biçiminin saf sinüzoidal değerlerinden sapma derecesidir. İdeal sinüs dalgası, sıfır harmonik bileşenlere sahiptir. Bu durumda, bu mükemmel dalgayı bozacak hiçbir şey yoktur. Dolayısıyla, tamamen sinüzoidal bir sinyalde bozulma olmazken, periyodik olan ancak sinüzoidal görünmeyen kare bir dalga çok fazla harmonik distorsiyona sahip olacaktır.
Elbette gerçek dünyada sinüzoidal gerilimler ve akımlar tamamen sinüzoidal değildir; bir miktar harmonik bozulma mevcut olacaktır. Alttaki Şekil’ lerde, bir sinüzoidal voltajın ve bir kare dalga voltajının zaman alanında ve frekans alanında görsel karşılaştırmalar sağlar.
Şekil: Zaman alanında bir sinüzoidal voltaj ve bir kare dalga voltajı.
Şekil: Frekans alanında sinüzoidal voltaj ve kare dalga voltajı; harmonik frekanslarda sadece kare dalganın zirveleri vardır.
Örnek THD Ölçümü
Aşağıdaki Şekil' deki örnek blok diyagramı, bir miktar geçiş distorsiyonuna sahip yeni bir 1kHz sinüs dalgası oluşturmak için bir amplifikatörden geçen 1 kHz'lik bir sinüs dalgasını göstermektedir. Bu yeni dalga, bir dizi harmoniğin genliğinin grafiksel bir görüntüsünü veren bir spektrum analizörüne beslenir.
Şekil: Bir sinyale çapraz bozulma getiren bir sistem.
Bozulmuş sinüs dalgası çıkışının frekans spektrumunu yakınlaştırdığımızda, birkaç harmonik frekansta genlikleri görebiliriz:
Şekil: Çapraz distorsiyonlu sinüzoidal voltajın frekans spektrumu.
Bu frekans spektrumundan, harmonik frekansların her birinin genliğini manuel olarak ölçtüm ve verileri aşağıdaki tabloda verilmiştir:
Askeri testlerde örneğin MIL-STD-1399-300B testlerinde genellikle harmoniğin tek sayılı rakamlarında ve genelde 39. harmoniğe kadar kayıt altına alınacak akım değerleri vardır. Ama burada; 15'in üstündeki çift sayılı harmoniklerin ve harmoniklerin genlikleri neredeyse 0' dır, bu yüzden onları hesabıma dahil etmedim.
Ölçülen genlikler THD denklemine eklenir:
(RMS voltajı yerine voltaj genliklerini kullanabileceğime dikkat edin çünkü VRMS = Vp / √2 ve o zamandan beri √2 her koşulda oluşursa, çarpanlarına ayrılabilir ve iptal edilebilir).
Bu hesaplama; %0,118 veya %11,8' lik bir THD verir.
Elbette bir THD analizörü, harmoniklerin genliklerinden THD' yi hesaplama sürecini otomatikleştirecektir. Bu sinyal için bir THD analizörü kullanmak %11,9' luk bir değer verir, bu da az önce geçtiğim manuel yöntemin doğruluğunu onaylar.
PFC ve THD İle İlgili Standartlar
IEC/EN 61000-3-2…..Class A, Class B, Class C, Class D
A sınıfı
• Dengeli üç fazlı ekipman
• D Sınıfı ile tanımlanan ekipman hariç ev aletleri
• Taşınabilir aletler dışındaki aletler
• Akkor lambalar için kısıcılar
• Ses ekipmanı
• B, C veya D olarak sınıflandırılmayan diğer her şey
B sınıfı
• Taşınabilir aletler
• Profesyonel ekipman olmayan ark kaynağı ekipmanı
C sınıfı
• Aydınlatma ekipmanı
D Sınıfı
• Kişisel bilgisayarlar ve monitörler
• Televizyon alıcıları
• Not: Ekipmanın güç seviyesi 75 W'a kadar olmalı ve 600 W'ı geçmemelidir
Tablo 1. IEC610000-3-2'ye Göre Ekipman Sınıflandırması.
Tablo 2. IEC610000-3-2'ye göre A Sınıfı Ekipman için Harmonik Sınırlar.
* λ Devre güç faktörüdür
Tablo 3. PIN için IEC61000-3-2'ye göre Sınıf C Ekipman için Harmonik Sınırlar
(> 25 W (PIN <25 W için, 3. Harmonik Genlik Temelin % 86' sından az olmalıdır ve 5. Harmonik Genlik Temelin % 61' inden az olmalıdır.)
Tablo 4. IEC610000-3-2'ye göre D Sınıfı Ekipman için Harmonik Sınırlar.
Sınıf A, C ve D için sınırlar sırasıyla Tablo 2, Tablo 3 ve Tablo 4'te gösterilen tablolarda verilmiştir.
Gösterilen tablolar arasındaki önemli farklar şunlardır:
-
Sınıf B için belirtilen sınırlar, Sınıf A için belirtilen sınırların 1,5 katıdır.
-
C Sınıfı ekipman için, harmonikler üzerindeki limitler, temelin ölçülen genliğinin bir yüzdesi olarak belirtilir.
-
Sınıf D limitleri mA / W yük gücü cinsinden belirtilir.
-
Sınıf D için ekipman limitleri, yalnızca tek akım harmonikleri için belirtilmiştir.
Standart, harmonik akımlarla ilgili sınırları belirler ve izin verilen PF' yi belirtmez.
D Sınıfı gereksinimlerini karşılamak için tipik olarak 0,9 veya daha yüksek bir giriş güç faktörü gereklidir.
Aydınlatma gibi uygulamalar için, geçerli olabilecek ülkeye özgü gereksinimler vardır ve bazı durumlarda 0,95 veya daha yüksek PF gerekli olabilir.
IEC61000-3-2 standardı esas olarak Avrupa'da geçerliyken, dünyanın diğer bölgelerinde PF ve harmonik bozulma için sınırlar geçerlidir.
MIL-STD-1399-300B
MIL-STD-1399-300B, Akım Department of Defense Interface Standard for Electric Power, Alternating Current, AC elektrik gücü kullanan gemi ve denizaltı ekipmanı için elektrik arayüzü güç gereksinimlerini tanımlar.
Ayrıca, kullanıcı ekipmanı ile elektrik sistemi arasındaki uyumluluğu sağlamak için gereksinimleri ve test yöntemlerini de tanımlar. Standardın son sürümü, Revizyon B, hem sabit 400 Hz hem de 60 Hz frekansını kapsar.
MIL-STD-1399 Bölüm 300 , askeri gemi çevresi ortamlarında AC gücünün kullanımına yönelik standartları belirler. Askeri gemiler için, mühendisler ve proje yöneticileri için önemli bir en iyi uygulamalar kümesi olarak hizmet eder.
MIL-STD-1399 , gemide kullanım için kabul edilebilir olan üç tür düşük voltajlı güç kaynağını özetlemektedir:
-
Tip I: 440 veya 115 V, 60 Hz topraklamasız. Tip I, çoğu uygulamada kullanılan en yaygın gemi güvertesi güç kaynağı türüdür.
-
Tip II: 440 veya 115 V, 400 Hz topraklamasız. Tip II yalnızca sınırlı uygulamalarda kullanılır ve özel bir sapma talebi ile yetkilendirilmesi gerekir.
-
Tip III: 440 veya 115 V, 400 Hz topraklamasız. Ayrıca sınırlı kullanımla sınırlı olan Tip III gemi güvertesi güç kaynakları, kabul edilebilir frekans geçişi seviyeleri ve toplam harmonik bozulma (THD) için daha katı gereksinimlere sahiptir.
Her tür gemi güvertesi güç kaynağının en önemli gereksinimlerinden biri, toplam harmonik bozulmayı kabul edilebilir bir seviyede tutma ihtiyacıdır. Günümüzün deniz platformlarının gittikçe daha karmaşık elektronikler kullanmasıyla birlikte, gemide birincil AC güç kaynaklarının her zamankinden daha büyük yükleri kaldırması gerekiyor. Bu, distorsiyon seviyelerini artıran ve diğer sistem bileşenlerini engelleyen büyük akım darbelerine neden olabilir.
Güç Faktörü Düzeltmesinin(PFC) Amacı
Güç faktörü düzeltmesinin amacı, hat akımını koşullandırmaktır. Koşullandırmak, dalga formundaki sivri uçları ve düzensizlikleri filtreleyerek hat akımını pürüzsüz hale getirmek anlamına gelir. Daha yumuşak bir hat akımı, düşük güç kaybına sahip olacaktır.
Aşağıdaki bazı resimler çok kötü güç faktörüne sahip bir hat akımını gösteriyor. Sarı ve pembe dalga biçimleri, üç fazlı bir ızgaradan ölçülen gerçek hat akımlarıdır, burada sistem yükü, güç faktörü düzeltmesi olmayan bir güç kaynağıdır. Güç faktörü mükemmelse dalga biçiminin saf sinüs dalgasına yakın olduğu varsayılır.
Aşağıdaki dalga formu, farklı yükleme koşullarına sahip başka bir kapsam ölçümüdür. Yine de dalga biçimi çok kötü bir güç faktörü gösteriyor.
Güç faktörü düzeltme (PFC) devreleri
Güç faktörü düzeltme (PFC) devreleri, çekilen akımın şeklini kontrol eden geri beslemeli aktif elektronik devreler kullanarak güç faktörünü (PF) artırma yöntemini ifade etmektedir.
PFC devresinin avantajı; düzeltilmiş giriş voltajı sağlayarak bir sonraki DC-DC çeviriciye düzgün besleme sağlar. PFC ‘ nin asıl amacı güç faktörünü (PF) artırmaktır.
Burada; AC çevrimi boyunca sürekli sinüs benzeri akımı tüketmek için 2 yol vardır;
-
Pasif PFC
-
Aktif PFC
Pasif PFC:
-
Kondansatörlü Pasif PFC Filtresi
Doğrusal PSU' da doğrultucu düşük frekanslı bir lineer transformatör aracılığıyla bağlanır. Anahtarlamalı güç kaynaklarında ise (SMPS: Switch-Mode Power Supply) ise PSU(Power Supply Unit)' da AC girişinden beslenir.
Her iki durumda da, "Co" hemen hemen doğrultulmuş voltajın pik değerine şarj edildiğinde, çoğu zaman diyotlar ters polarma olacak ve iletilmeyecektir. Bu nedenle, böyle bir PSU, yalnızca anlık giriş voltajı kapasitör üzerindeki voltajı aştığında kısa darbelerle hattan güç çekecektir. Bu durumda, seviyesi geçerli bir standardı (IEC/EN 61000-3-2 gibi) aşabilen ve diğer kullanıcıları olumsuz etkileyebilen harmonikler üretilecektir.
Geleneksel PFC olmayan AC-DC güç kaynaklarında büyük bir filtre kondansatörü "Co", köprü doğrultucunun hemen sonrasına yerleştirilir (aşağıdaki şemaya bakın).
-
Valley-Fill Pasif PFC Filtresi
Bu güç faktörü düzeltici, DC çıkışında yüksek etkili dalgalanma geriliminin tolere edilebildiği düşük güç uygulamalarında kullanılabilir. Elektronik balast uygulamalarında sıklıkla kullanılmaktadır.
Devre iki kapasitör ve üç diyot içerir. İki kapasitör, hat tepe noktasından tepe voltajının yarısına kadar seri olarak şarj edilir.
Hat voltajı tek kapasitör voltajının altına düştüğünde, köprü doğrultucu diyotları ters yönde eğilir ve bu da akımın akmasına izin vermez.
Valley-fill'in diyotları daha sonra iletilir ve kapasitörler yükü beslemek için paralel olarak bağlanır.
Pasif teknikler, normal olarak, hem akım iletim açısını uzatmak hem de diyot kapasitör redresörünün giriş akımının THD'sini azaltmak için basit bir hat frekansı LC filtresi kullanır.
Basitliği nedeniyle, pasif LC filtresi, düşük güç aralığında IEC 61000-3-2 sınıf D spesifikasyonlarını potansiyel olarak karşılayabilecek, yüksek verimli ve düşük maliyetli bir PFC çözümüdür.
Bununla birlikte, daha yüksek güç seviyelerinde, pasif bileşenlerin boyutu ve ağırlığı, daha ağır ve daha hacimli filtre indüktörlerinin varlığı nedeniyle bir sorun haline gelir.
Pasif tekniklerin basitlik, güvenilirlik ve sağlamlık, gürültüye ve dalgalanmalara karşı duyarsızlık, yüksek frekanslı elektromanyetik arayüz (EMI) oluşmaması ve yüksek frekanslı anahtarlama kayıpları olmaması gibi belirli avantajları vardır.
-
AC veya DC Endüktör Pasif PFC Filtresi
Aşağıdaki dalga formu, farklı yükleme koşullarına sahip başka bir kapsam ölçümüdür. Yine de dalga biçimi çok kötü bir güç faktörü gösteriyor.
Şekil’ de gösterilen devre, 100-VAC invertörlü klimalarda ve diğer ev aletlerinde yaygın olarak kullanılan tam dalgalı voltaj katlama redresörüdür.
Bir AC güç kaynağı, bir PFC reaktörü (L) aracılığıyla voltaj ikiye katlayan redresöre bir AC akımı sağlar ve voltaj ikiye katlayan C1 ve C2 kapasitörlerini şarj eder.
Ek olarak, D3 ve D4 diyotları sırasıyla C1 ve C2 kapasitörlerine paralel olarak bağlanır. Bu diyotlar, C1 ve C2 kapasitörlerini yıkıma karşı korur.
Aşağıda Co çıkış kapasitörü kullanıldığında PF ve THD değerleri ortalama olarak verilmiştir;
"Co" dan önce bir endüktans yerleştirebiliriz. Pasif PFC' de indüktör büyük ve kontrolsüzdür. Genellikle PF' yi 0,7- 0,85'e düzeltir. Uygulamada, pasif bir yöntem yalnızca küçük PSU' da (genellikle 100 W'ın altında), yüksek PF gerekmediğinde ve DC bağlantısının düzenlenmesine gerek olmadığında kullanılır.
Pasif Güç Faktörü Düzeltici Türlerinin Kısa Analizi
-
Kondansatörlü PFC Filtresi
Aşağıda gösterilen tüm durumlarda, şebeke voltajı 50 Hz' de 230 V AC' dir. Besleme ile seri olarak 0,8Ω' luk bir direnç vardır; bu, ortalama bir eve giden şebeke kablolarının kabaca empedansıdır;
Şekil: Kondansatör Giriş Filtreli Güç Kaynağı ve AC akım grafiği
-
Valley-Fill PFC Filtresi
Şekil: Valley-Fill Güç Faktörü Düzeltmesi ve AC akım grafiği
-
LCD Endüktör / Kapasitör / Diyot PFC Filtresi
Şekil: LCD (Endüktör / Kapasitör / Diyot) Güç Faktörü Düzeltmesi ve AC akım grafiği
-
AC veya DC Endüktör PFC Filtresi
Redresör köprüsünün AC veya DC tarafında indüktörün tamamen farklı bir performans vereceğini hayal etseniz de, bu sadece kısmen doğrudur. Kararlı durum performansı (devreye güç verildikten bir süre sonra), aşağıda gösterilen farklılıklar dışında hemen hemen aynıdır. Özellikle, mevcut dalga biçimi, yalnızca birkaç nispeten küçük değişiklikle çok benzerdir.
İndüktörü redresör köprüsünün DC tarafına yerleştirerek, sonuç bazen valf çağında kullanılan 'kısma giriş filtresine' benzer. Çok farklı davranacakmış gibi görünse de, aslında durum böyle değil. Aşağıdaki dalga formlarından görebileceğiniz gibi, sonuçlar neredeyse aynıdır.
Şekil: AC Endüktör Güç Faktörü Düzeltmesi
Şekil: DC Endüktör Güç Faktörü Düzeltmesi
Şekil: AC İndüktörü (Kırmızı) ve DC İndüktörü (Yeşil) Akım Dalga Formları
Şekil: Açılışta DC Gerilim Dalgalanması, Şok Giriş Filtresi(AC veya DC İndüktör ile)
Pasif PFC Yöntemlerinin Dezavantajları
-
Büyük elemanlardan oluşmaları ve devre üzerinde yer ve ağırlık teşkil etmeleri.
-
Şebeke frekansına göre davranış gösterdikleri için, şebeke frekansı değişimlerinde düzgün sonuç vermemeleri.
-
Yüke göre değişik cevap vermeleri.
-
Dinamik cevaplarının yavaş olması.
-
Faz kayması sonucu PF’ nin azalması.
-
Şebeke frekansı dalgalanmalarında tam tersi olarak harmoniklerini kuvvetlendirme, Vb.
Rezonans filtreleri, büyük ölçüde ihtiyaç duyulan kapasitans miktarı nedeniyle çok pahalı hale gelebilir.
Örneğin, 100mH ve 100uF, 50Hz'de rezonanttır (yeterince yakın), ancak 275V AC için derecelendirilmiş 100uF kapasitans (yalnızca tek fazlı kullanım) fiziksel olarak büyük ve maliyetli bir bileşendir.
Bazı konfigürasyonlarda, kapasitör ve indüktörün de önemli bir akım taşıması gerekecektir ve bu çok daha büyük (ve daha pahalı) parçalar gerektirir.
Aktif PFC:
DC-DC dönüştürücü, PFC çıkışını çalıştırır, yük için gerekli olan bir dizi DC veri yolu üretir ve normalde ayrıca girişten çıkışa izolasyon sağlar. DC-DC dönüştürücülerinde kullanılan bir dizi topoloji vardır. Yukarıdaki blok diyagram, izole edici bir ileri dönüştürücüyü göstermektedir.
Aktif PFC, tasarımcıların 0,99 kadar yüksek PF elde etmesine izin verir. Hat frekansı harmoniklerini belirlenen sınırların altına çeker. Ama güç dönüştürücülerinin anahtarlamalı mod çalışmasıyla üretilen yüksek frekanslı bileşenleri azaltmak için yine de bir EMI filtresine ihtiyacınız vardır. Ancak bu filtre bazı olumsuz etkilere neden olabilir.
Özellikle, diferansiyel mod indüktörleri ve hat boyunca kondansatörleri, "Vin" ve "I" arasında, aşağı akış PFC devresi tarafından düzeltilmeyen belirli bir yer değiştirme açısı sağlayabilir. Yalnızca EN61000-3-2'ye uymanız gerekiyorsa bu etki önemsiz olabilir, ancak uygulamanızda belirli minimum PF sınırını da karşılamanız gerekiyorsa bir sorun olabilir.
Aktif PFC Yöntemlerinin Avantajları
-
Küçük ve hafif endüktif eleman kullanımına olanak sağlaması,
-
Kararlı olmaları
-
Şebeke frekansı değişimlerinden etkilenmemeleri,
-
Geniş giriş gerilimi aralığı, 85Vrms - 265Vrms 47Hz-63Hz ile anahtarlama yapmadan çalışabilir
-
Uluslararası standartlara uyacak şekilde devre tasarımına olanak sağlayan iyileştirme sunmaları,
-
0,95 ≥ Güç faktörü ≥ 1
-
DC / DC dönüştürücüyü çalıştırmak için sabit ara gerilim, DC / DC dönüştürücünün gereksinimlerini ve karmaşıklığını basitleştirir.
-
%5’ ten az THD’ de performans sunmaları
-
Geniş aralıkta giriş sinyaline karşın geri besleme (feedback) sayesinde kararlı çıkış vermeleri
-
Değerli ekipman için koruma
-
Cout boyut olarak önemli ölçüde küçültülmüştür. Bu kondansatör, klasik bir redresörün durumundan % 50 daha küçük olabilir.
-
230V-12A besleme varsayalım. PFC olmadan, güç faktörü tipik olarak 0,65 olduğu için yaklaşık 650 W DC yükü sağlayabiliriz. PFC ile ve beslemeden aynı akımı çekerek 1000W'lık bir DC yük bağlayabiliriz (güç faktörü şimdi yaklaşık 0,99!).
-
Besleme tarafındaki daha düşük harmonikler nedeniyle radyo, televizyon ve diğer iletişim sistemleriyle daha az parazit vardır.
Aktif PFC Yönteminin Dezavantajları
-
Daha yüksek genel maliyet ve karmaşıklık
-
Yüksek frekanslı parazitin hatta ulaşmasını önlemek için daha iyi filtreleme gerektirir
-
Pasif bir PFC için gerekenden daha yüksek voltaj bileşenleri
Aktif PFC Kontrol Türleri
Boost PFC:
-
Boost PFC, açık farkla en yaygın olanıdır ve orta ila yüksek güç için idealdir
-
Boost DC voltaj çıkışı, maksimum hat tepe voltajından(maximum line peak voltage) daha yüksek olmalıdır, aksi takdirde distorsiyon (harmonikler) ortaya çıkarırsınız.
> 400VDC' ye yükseltme, 85 ile 265VAC veya geniş şebeke uygulamaları
için tipik bir değerdir.
Buck PFC:
-
30-90 W Uygulamalar için Buck PFC, ancak nadiren kullanılır.
> Daha düşük voltaj, daha küçük indüktör ve kapasitör değerlerine neden olur.
Genelde 75W gücün yukarısı için PFC devreleri kullanılır. Bu yüzden buck PFC devreleri çok kullanılmamaktadır.
Boost PFC Çevirici:
Şekil: PFC Blok Şeması
Boost dönüştürücü olarak da adlandırılan bu popüler uygulama, çıkış dc voltajı giriş dc voltajından daha büyük olan bir güç dönüştürücüdür. Bu anahtarlamalı güç kaynağı (SMPS) sınıfı, en az iki yarı iletken anahtar ve en az bir enerji depolama elemanı içerir.
Çıkış voltajı dalgalanmasını azaltmak için normalde dönüştürücünün çıkışına filtreler eklenir. Gücün korunması gerektiğinden, çıkış akımı giriş akımından daha düşüktür.
Hemen hemen tüm güçlendirici PFC' ler, tasarım kolaylığı, azaltılmış devre karmaşıklığı ve maliyet tasarrufu amacıyla standart bir kontrolör çipi kullanır.
BOOST PFC için Çalışma Modları
-
Aralıklı İletim Modu (DCM: Discontinuous Conduction Mode)
-
Kritik İletim Modu (CRM:Critical Conduction Mode)
-
Sürekli İletim Modu (CCM: Continuous Conduction Mode)
Şekil: Boost PFC’ nin DCM ve CCM modlarında çalışma akımları
Burada daha az gürültü içerdiğinden CCM modu daha fazla kullanılır.
Tanım olarak; PF, watt ve volt-amper arasındaki orandır. Bu süreçte, PFC dönüştürücü genellikle voltajı 370-400 VDC' ye yükseltir ve regüle edilmiş bir DC bağlantısı sağlar.
Şekil: Aktif PFC içeren komple AC/DC dönüştürücü blok diyagramı
AC gücü önce sigortalardan ve bir hat filtresinden geçirmek iyidir. Daha sonra tam dalgalı bir köprü doğrultucu ile düzeltilir.
Doğrultulmuş voltaj daha sonra güç faktörü düzeltme (PFC) ön regülatörüne ve ardından Buck DC-DC dönüştürücülerine uygulanır.
AC giriş kısmında hem Faz hem de Nötr hattına sigorta eklemek önemlidir. Herkes bunları bilir, ancak bazı insanlar, uygulanan akımın derecelendirmesini aştığı anda bir sigortanın attığı izlenimine kapılır.
Bir PFC denetleyicisi hem algılama direnci hem de Vboost üzerindeki voltajı izler. "Vboost" u düzenlerken aynı zamanda giriş akımının şeklini kontrol eder, böylece şebeke AC ile aynı fazdadır ve dalga şeklini tekrar eder. Bu olmadan akım, yüksek harmonik içeriğe sahip olan kısa yüksek seviyeli darbelerle SMPS' ye iletilecektir.
Boost PFC Dönüştürücünün Çalışması
Boost PFC dönüştürücünün genel amacı , giriş akımını (i ac ) sinüzoidal ve giriş voltajı (v ac ) ile fazda yapmak için anahtarı (S1 ) hızla ve değişen bir görev döngüsü ile kapatıp açmaktır.
Şekil: "Boost" PFC dönüştürücü devresi
Şekil A: Anahtar(S1) kapalıyken Boost Dönüştürücü "Boost" PFC Dönüştürücü ve Boost dönüştürücü dalga biçimleri.
Boost PFC devresi, iki durum arasında hızla dönüyor. İlk durum, Şekilde gösterildiği gibi S1 kapatıldığında meydana gelir. Bu durumda, indüktöre redresör aracılığıyla devrenin AC tarafı tarafından enerji verilir ve bu nedenle indüktör akımı artacaktır.
Aynı zamanda, diyot Dpfc ters polarmalı hale gelir (çünkü anodu S1 üzerinden toprağa bağlıdır) ve yüke kapasitör tarafından enerji sağlanır.
Şekil B: Anahtar (S1) açıkken Boost PFC dönüştürücü
Şekil, S1 açıldığında ortaya çıkan ikinci durumu göstermektedir. Bu durumda, yüke enerji sağladığından ve kapasitörün yeniden şarj edilmesi için indüktörün enerjisi kesilir (akım azalır).
(Hem Şekil A hem de Şekil B' nin giriş voltaj döngüsünün yalnızca pozitif yarısını gösterdiğine dikkat edin. Negatif yarı, akımın redresörün(doğrultucu körü diyotlar) diğer iki diyotundan akması dışında aynı olacaktır.)
Şekil C: Anahtar (S1) kapalıyken Boost PFC dönüştürücü
İki durum arasındaki döngü, en azından onlarca kHz' lik yüksek bir frekansta yapılır. Durumlar arasında gidip gelme hızlı bir şekilde ve hem sabit bir çıkış voltajını koruyacak hem de ortalama indüktör akımını (ve ardından ortalama AC akımını) kontrol edecek şekilde yapılır.
İndüktör akımı 1. durumda arttığı ve 2. durumda azaldığı için, görev döngüsü indüktör akımının azaldığı süreye karşı indüktör akımının arttığı süreyi belirler. Böylece, görev döngüsünü değiştirerek ortalama indüktör akımı ayarlanabilir. Bu ortalama akımı; beklenen akımı takip ederek, güç faktöründe ve toplam harmonik bozulmada (THD) önemli bir gelişme elde edebilirsiniz.
İdeal bir sistem için, beklenen indüktör akımı düzeltilmiş bir sinüs dalgası olacaktır. Bu durumda beklenen AC giriş akımı bir sinüs dalgası olacaktır.
Sistemin anahtarlama yapısı ve beklenen akımın mükemmel bir şekilde izlenmesindeki zorluk nedeniyle, AC giriş akımı (Iac) ideal bir sinüs dalgası olmayacak ve indüktör akımı (I (L)) ideal bir düzeltilmiş olmayacaktır.
Sinüs dalgası, ancak bunun yerine şuna benzer:
Şekil: Güçlendirici PFC dönüştürücünün AC akımı ve indüktör akımı
Bu akımlar, olması gereken genel şekildir (sinüzoid / düzeltilmiş sinüzoid), ancak öne çıkan bir şey, sinyallerin hatlarının kalın görünmesidir. Bu kalınlık, referans sinüzoidal voltajı izlemek için ortalama akım kontrol edildiğinde, bir döngü sırasında akımın yükselmesi ve ardından azalması nedeniyle oluşur.
İndüktör akımını yakınlaştırırsak; sistem iki durum arasında geçiş yaparken indüktörün tekrar tekrar artan ve azalan akımlarını ortaya çıkarır.
Şekil: Bir boost PFC dönüştürücüsündeki indüktör akımının yakınlaştırılmış görünümü
PFC Anahtarlama Modları
Şekil: CCM PFC devresi ve çalışma dalga biçimleri
-
Sürekli iletim modu (CCM: Continuous conduction mode)
Şekil: Bir boost PFC dönüştürücüsündeki CCM modda, mosfetin AÇIK/KAPALI durumu, endüktör(reaktör) akımı, AC giriş voltajı ve AC ortalama giriş akımı
Sürekli iletim modu (CCM) Şekil’ de, CCM modunda aktif bir PFC devresinin dalga formlarının bir örneğini gösterir. CCM modunda, PFC devresi akımı sürekli olarak reaktörden (L) geçirir. Bu nedenle, MOSFET, reaktör (L) akımı sıfıra düşmeden önce açılır.
Genel olarak, CCM PFC modu, sinüzoidal bir giriş akımı oluşturmak için sabit bir frekansta çalışır. CRM(Critical conduction mode) ve DCM(Discontinuous conduction mode) PFC modlarıyla karşılaştırıldığında; CCM PFC modu, MOSFET' e akan akımdaki dalgalanmaları azaltmak için tasarlanabilir.
Bununla birlikte, CCM PFC modunun bir dezavantajı, MOSFET açıldığında akımın bir çıkış diyotundan akması nedeniyle, diyotun ters geri kazanım akımının reaktör (L) yük akımı ile birleşerek MOSFET açma kaybını artırmasıdır. Açma kaybını azaltmak ve böylece verimliliği artırmak için, kısa ters geri kazanım süresine sahip yüksek hızlı bir diyot kullanılması gerekir. Bu amaçla, bir SiC Schottky bariyer diyodu (SBD), yüksek verimlilik gerektiren güç kaynakları için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bakınız alttaki Şekil.
Diğer tarafta; CCM(continuous conduction mode) karşılaşmaları, MOSFET ile kayıpları açar ve bu, Qrr'den kaynaklanan hızlandırma düzeltici geri kazanım kaybıyla daha da kötüleşebilir. Bu nedenle, yukarıda belirtildiği gibi; CCM modu için ultra hızlı kurtarma diyotları veya Qrr içermeyen silikon karbür schottky diyotlara ihtiyaç vardır. MPS tipi SiC diyot kullanıldığında bile, alttaki Şekil 'de gösterildiği gibi bir ön şarj diyotunun kullanılmasının tercih edildiğine dikkat edin. Bu, yığın(bulk) kapasitörün AC hat voltajının tepe noktasına kadar ön şarjını desteklemek için yüksek I2*t derecesine sahip düşük frekanslı standart bir diyottur. Bu, HF takviye redresör diyotu için en iyi şekilde önlenen yüksek bir başlangıç dalgalanma akım gerilimidir (köprü diyottan sonra bir seri NTC ile sınırlandırılmalıdır).
Şekil: Giriş doğrultuculu boost güç katı için Blok Şeması
2. Kritik iletim modu (CRM: Critical conduction mode)
Şekil, bir CRM PFC devresinin dalga biçimlerini gösterir. Reaktör (L) akımı sıfıra düştüğünde MOSFET açılır.
Çalışma sırasındaki anlık giriş voltajının VAC olduğunu varsayın.
Tepe akımı (ip)= VAC ・ t / L
Giriş voltajı (Vin)= √2 ･ VAC ･ sinωt olduğundan
ip, Vin ile sinüzoidal olarak değişir.
Ve ortalama giriş akımı (iort.)= ip / 2 olduğu için, ortalama akım değeri de Vin ile sinüzoidal olarak değişir.
CRM PFC devresi çıkış voltajını algılar ve buna göre MOSFET darbe genişliğini kontrol eder. CRM PFC devresi, çıkış voltajı çok yüksek olduğunda MOSFET darbe genişliğini azaltır ve çok düşük olduğunda darbe genişliğini artırır. Çıkış voltajı ve giriş voltajı değerlerine bağlı olarak değiştiği için çalışma frekansı sabit değildir. Yük arttıkça çalışma frekansı azalır.
Şekil: Bir boost PFC dönüştürücüsündeki CRM modda, mosfetin AÇIK/KAPALI durumu, endüktör(reaktör) akımı, AC giriş voltajı ve AC ortalama giriş akımı
3. Süreksiz iletim modu (DCM: Discontinuous conduction mode)
Şekil: Bir boost PFC dönüştürücüsündeki DCM modda, mosfetin AÇIK/KAPALI durumu, endüktör(reaktör) akımı, AC giriş voltajı ve AC ortalama giriş akımı
DCM PFC modunda her döngüde sıfır akım periyodu vardır. Şekil, DCM PFC devresinin akım dalga biçiminin bir örneğini göstermektedir.
Bu örnekte, hem frekans hem de MOSFET "açık" genişliği sabit olduğundan, DCM PFC için kontrol devresi basittir. DCM PFC devresi, CCM ve CRM devrelerinden daha yüksek bir tepe akımı sergiler, bu nedenle daha düşük verime sahip olma eğilimindedir. Bununla birlikte, diyotun ters geri kazanım özelliklerinin hiçbir etkisi yoktur, çünkü çıkış diyotundan akım geçmediğinde MOSFET açılır ve bu da düşük gürültüye neden olur.
Farklı aktif PFC modlarının karşılaştırılması
Önceki bölümlerde açıklandığı gibi, aktif PFC devreleri, akım iletim moduna göre üç türe ayrılır. Farklı özelliklere sahipler. CCM, nispeten büyük kapasiteli güç kaynakları için kullanılırken, CRM ve DCM öncelikle düşük kapasiteli ticari güç kaynakları için kullanılır.
Tablo: Farklı aktif PFC modlarının karşılaştırılma tablosu-1
Yine aşağıdaki tabloda ise farklı bir karşılaştırma sunulmuştur;
Tablo: Farklı aktif PFC modlarının karşılaştırılma tablosu-2
Boost PFC Kontrol Sistemi
Çıkış voltajının korunmasını ve AC akımının sinüzoidal ve AC voltajı ile aynı fazda olmasını sağlamak için kapalı döngü kontrolü gereklidir.
Kontrol sisteminin nasıl tasarlandığını açıklamak bu makalenin kapsamı dışındadır, ancak Şekil size genel sistem hakkında genel bir fikir verir; dört girişi kabul eden ve mosfetin yani S1' in gate ine uygulanan bir darbe genişliği modülasyonlu (PWM) çıkış üreten bir kontrolör bloğuna sahip bir güçlendirme PFC devresini gösterir.
PFC Giriş ve Çıkış Filtre Devreleri:
Baypas / Ön Şarj Diyotu
Burada daha çok CCM modu kullanıldığı için, yazının ilk bölümlerinde üzerine biraz değinilen Baypas / Ön Şarj Diyotu(bir alttaki resimde “Inrush Bypass diode”) hakkında biraz daha bilgi vermek istiyorum. Çünkü bu diyot sadece CCM modunda kullanılır.
Şekil: Giriş Filtresi Eşdeğer Devresi.
Bir boost PFC dönüştürücünün çıkış kondansatörü, giriş beslemesi ilk uygulandığında giriş voltajı dalga formunun tepe noktasına şarj olur.Bu işlem sırasında kapasitör içine büyük bir akım akar ve akım, "ani akım sınırlayıcısının" toplam empedansı ve devredeki herhangi bir parazitik empedans ile sınırlandırılır. Bu akım takviye indüktöründen akarsa, enerji indüktörde depolanır ve bu indüktör ile çıkış kondansatörü arasındaki rezonans, PFC' nin çıkışında bir voltaj birikmesine neden olur. Bu işlem sırasında akımı güçlendirme indüktöründen uzaklaştırmak için genellikle köprü doğrultucu çıkışı ile PFC' nin çıkışı arasına bir diyot bağlanır. PFC çalışmaya başladığında, PFC' nin çıkışı girişten daha yüksek olduğu için bu diyot ters yönlüdür. Bu diyot, çıkış kapasitörünü şarj etmek için sadece başlangıçta iletken olduğu için, bu diyotun tekrar etmeyen tepe akım oranının tepe ani akımdan daha yüksek olması gerekir. Bu diyotun tepe ters voltaj değeri, PFC dönüştürücünün en yüksek çıkış voltajından daha yüksek olmalıdır. Alttaki şekilde (bir alttaki resimde “Inrush Bypass diode”)bu diyotun devredeki konumunu göstermektedir.
Şekil: Boost PFC için genel kullanım devresi.
Şekil: Boost Dönüştürücü Çalışma Dalga Biçimi.
Şekil: EMI Kaynaklarını Gösteren Basitleştirilmiş Devre.
Boost PFC, yüksek bir anahtarlama frekansında çalışan bir anahtar dönüştürücüdür.
Yüksek anahtarlama frekansında çalışma ve bunun sonucunda akım ve voltajdaki hızlı değişiklikler iletilen ve yayılan EMI' ye neden olabilir. Yukarıdaki Şekil, EMI kaynaklarını vurgulayan basitleştirilmiş bir eşdeğer devreyi göstermektedir.
Bir üstteki Şekil' de gösterildiği gibi, MOSFET ve çıkış diyotu atımlı bir akım taşır. Bu darbeli akımı taşıyan iki döngü, aynı zamanda çıkış diyotunun anot terminali olan MOSFET'in drain düğümü yukarıdaki Şekil' de işaretlenmiştir, yüksek dv / dt' ye sahip bir "düğümdür" ve dolayısıyla bir EMI kaynağıdır. Bu kaynaklar tarafından bitişik "tellere" birleştirilen gürültü miktarını azaltmak için, bu döngülerin döngü(loop) alanını azaltmak ve drain düğümünü bağlayan izin(trace) fiziksel boyutunu korumak önemlidir, indüktör ve çıkış diyotu küçüktür.
Aşağıda ac giriş filtre örneği verilmiştir;
Şekil: Ortak Mod ve Diferansiyel Mod Filtresi
Güç kaynağının tipik bir giriş tarafı devresi, ortak mod ve diferansiyel mod filtre düzenlemesi yukarıdaki Şekil' de gösterilmektedir.
CY1, CY2, LCM, CY3, CY4 common mod filtresini oluşturmaktadır.
Belirli bir frekansta düşük empedans sunmak için ayarlanmış LCM, CX1,CX2 ve Rdischarge gibi ek filtre ağları şekilde gösterildiği gibi Common mod ve biraz da Diferansiyel mode filtresi olarak düşünülebilir.
LDM ve CX3 bir diferansiyel filtre oluşturur. LCM ve kapasitör CX2' nin sızıntı reaktansı ikinci bir diferansiyel filtre oluşturur. Bu iki filtrenin ard arda(kaskat) kullanılması, genellikle diferansiyel gürültünün çok önemli bir şekilde azalmasını sağlar.
EMI için, potansiyel olarak diferansiyel veya ortak mod gürültüsüne katkıda bulunabilecek boost topolojisindeki parazitik öğeleri hatırlamak önemlidir.
Dikkate alınacak birincil parazitlerden bazıları, indüktör üzerindeki sargı kapasitansını ve anahtar düğümündeki ve destek diyotundaki parazitik kapasitansları içerir.
Diferansiyel gürültüyü filtrelemek için, diferansiyel indüktör ve hattan nötr kapasitansın bir kombinasyonu kullanılır. Hattan nötre bağlanan bu kapasitörler X kapasitörleri olarak bilinir. X kondansatörü, daha düşük deşarj için gerekli olan şönt direncinin genellikle kalıcı olarak devrede bağlı bırakılması gereken değeridir. Hafif yük ve yüksüz verimlilik değerlendirmeleri genellikle devrede kullanılabilen X kapasitansının değerini sınırlar.
Ortak mod gürültüsünü filtrelemek için, genellikle ortak mod bobini olarak bilinen bağlı bir indüktör, hattan toprağa ve nötrden toprağa bağlanan kapasitörlerle eşleştirilir. Bu kapasitörler Y kapasitörleri olarak bilinir.
EMI performansı, etrafındaki PCB alanıyla ilişkili uygun yerleşim ve parazitlere oldukça bağlıdır.Örneğin, MOSFET'e topraklanmış bir metal soğutucu takılırsa ve termal yönetime yardımcı olmak için diyot takılırsa, bu, anahtar düğümü drenajı ile toprak arasında ek parazitik kapasitansa katkıda bulunur.
EMI azaltımının daha ince ayrıntıları bu yazının kapsamı dışında olsa da, EMI performansını ve EMI filtreleme stratejisini etkileyen ortak PFC topolojilerinin özellikleri tartışılmaktadır.
Şekil: Boost parazitleri ve EMI filtreleme.
Şekil: Giriş ve çıkış EMI filtreleri.
Ortak mod gürültü filtresi, yukarıdaki Şekil' de gösterildiği gibi PFC'nin girişine ve gerektiğinde PFC'nin çıkışına eklenebilir.
PFC'nin giriş akımı, üst üste binmiş yüksek frekanslı bir akım dalgalanmasına sahiptir. Bu dalgalanma, girişte aşırı iletimli gürültüye neden olabilir.
Girişe bağlanan gürültü, diferansiyel mod ve ortak mod filtrelerinden oluşan üçüncü dereceden bir filtre kullanılarak filtrelenebilir.
Gereken zayıflamaya bağlı olarak, ortak mod filtre bobininin diferansiyel endüktansını, bileşen sayısını azaltmaya yardımcı olabilecek diferansiyel filtre endüktansı olarak kullanmak genellikle mümkündür.
PFC Dahil Tüm Güç Kaynağının Testi Nasıl Yapılmalıdır?
Şekil: PFC dahil güç kaynağı
PFC dahil güç kaynağını incelerken (Şekil), giriş ve çıkış üzerinde birkaç test yapmanız gerekir.
Bunlar;
-
PFC'nin giriş hattı düzenlemesi: Giriş voltajı değiştiğinde, giriş güç faktörüne değişim oranı
-
PFC'nin çıkış yük regülasyonu: Yük akımı değiştiğinde, giriş güç faktörüne değişim oranı.
-
PFC düzenlemesini birleştirin: Giriş voltajı ve çıkış yükü aynı anda değiştiğinde, giriş gücü faktörüne değişim oranı.
-
Yukarıdaki giriş voltajı değişikliği, olası gerçek değişikliği simüle etmek için giriş voltajını değiştirmek için otomatik transformatör veya AC güç kaynağı kullanabilir. Örneğin 90 ~ 115 ~ 132 veya 180 ~ 230 ~ 264 veya 90 ~ 115 ~ 264 veya 90 ~ 230 ~ 264 voltaj kombinasyonu test edilmelidir.
-
Giriş gücü ölçümü, hassas güç ölçerler gibi doğru bir güç ölçer gerektirir; bu ölçüm cihazının, farklı giriş akımı altında güvenilir bir sonuç elde etmek için 90V ~ 264V voltaj aralığında tutarlı bir doğruluğa sahip olması gerekir.
-
Çıkış yükünde, farklı yük koşullarını simüle etmek için DC elektronik yük kullanılabilir.
-
Yukarıda, PFC işlevini incelemek için test için ayarlanabilir güç kaynağı kullanılmaktadır. Bu dolaylı inceleme yöntemidir, çünkü yük değiştiğinde Şekil (b) anahtarlama regülatöründen geçmektedir, anahtarlama regülatörü herhangi bir anormal durumla karşılaşırsa, bu Şekil (a) PFC Bloğundaki inceleme sonucunu etkileyecektir. Bu test yöntemi, son ürünün üretim hattında test edilmesinde daha uygundur.
Bu nedenle alttaki Şekil' de gösterildiği gibi PFC bölümünü çıkarın ve üzerinde ayrı ayrı testi yapın. Şimdi Şekil (b) anahtarlama regülatörünü ve DC çıkış akımını simüle etmek için 500v yüksek voltajlı elektronik yük kullanıyoruz, böylece güç faktörü regülatörünü giriş voltajı, çıkış yükü ve kombinasyon giriş güç faktörü düzeltme oranı ile daha doğru bir şekilde inceleyebiliriz.
Bu test yöntemi, Ar-Ge'nin PFC işlevini ve testini doğrulaması için uygundur, ayrıca üretimin PFC bölümünde test etmesi için de uygundur.
Hazır PFC Modül Seçimi
Aviyonik ve Savunmaiçin kullanılabilen COTS(Commercial off-the-shelf) güç kaynakları, gemi sistemlerinde, kara araçlarında, iletişim sistemlerinde ve görev açısından kritik diğer kara, deniz ve hava uygulamalarında kullanılmaktadır. Güç çözümleri, bu uygulamaların gerektirdiği zorlu ortamlarda güvenilir bir şekilde çalışmak üzere tasarlanmıştır.
COTS güç dönüştürücülerini satın aldığımız ve bunları yapabildiğimiz yerde kullandığımız uygulamalar vardır. Ancak yine de 20 yıllık kullanım ömrü, COTS parçaları için bir sorun haline geliyor. Bu nedenle, dağıtılmış güç tasarımını ve ekipman üretimini kendimizin tasarlamasında fayda vardır.
Bazı durumlarda; örneğin zaman sınırlaması, kaliteli ürün tasarlayamama kaygısı vb. hazır COTs(Commercial off-the-shelf) ürün seçimi yapılıp sistemde veya cihaz içerisinde kullanılabilir.
Askeri ve ticari havacılık uygulamalarında ve diğer zorlu termal ve şok titreşim ortamlarında kullanım için uygun olan bu yeni tabanı metal kaplamalı, gömülü modüller kullanılabilir.
Örneğin TDK Lambda firmasına ait PFE serisi “Full Brick” PFC modüller tercih edilebilir.
Ürün özelliklerinde aşağıdaki parametreler önem kazanır;
-
İyi Filtreleme
-
Büyük harici tutma (hold-up) kapasitörleriyle uyumluluk
-
EN61000-3-2 Harmonik Akım,
-
EN55022, Seviye B İletilen Emisyonlar,
-
EN61000-4-5 Dalgalanma Bağışıklığı,
-
EN61000-4-11 Hat Bozuklukları,
-
EN61000-3-3 Kalkış Akımı.
-
Metal Baseplate
-
Remote Sense
-
Adjustable Output Voltage
-
Giriş voltaj çalışma aralığı
-
Düşük çıkış gürültüsü. Burada ek filtrelere ihtiyaç duyulacaktır.
-
Verim grafiği iyice incelenmelidir. Çalışmak istediğimiz yükteki verime bakılmalıdır.
-
RoHs uyumu
-
Ürün desteği
-
İzolasyon kullanılacaksa izolasyon voltaj değeri
-
Açma / Kapam kontrol devresi(kontrollü çalışma gerekliyse)
-
Çalışma ve depolama sıcaklık aralığı
-
Minimum kalkış akımı(Inrush current)
-
Harmonik içerik için askeri standartları karşılar
-
Paralel kullanılabilme Seçeneği(güç artırılacaksa)
-
Giriş akımı sınırlaması ve otomatik kurtarmalı(Auto-recovery) kısa devre koruması
-
Otomatik kurtarma(Auto-recovery) termal kapatma
-
Otomatik kurtarma(Auto-recovery) çıkışı aşırı voltaj koruması
-
Otomatik kurtarma(Auto-recovery) girişi altında / aşırı voltaj koruması
-
Saat senkronizasyon çıkışı(paralel kullanım veya aynı anda güç çekişi istendiği durumlarda)
Aktif PFC modüllerinin çoğuna dışarıdan ek olarak hold-up kapasiörü ve ek giriş filtreleri eklemek gerekmektedir. Bunun için de yine hazır EMI modüller mevcuttur. İstenirse kullanılabilir.
Uçaklar harmonik akımlar konusunda çok endişeli ve AC veri yolunu bozmamak ve bu veri yolundaki diğer kullanıcıları etkilememek veya jeneratörlerini aşırı büyütmek zorunda kalmalarına neden olmamak gerekir. Uçak elektrik fişi ile arabirimler dışındaki herhangi bir dönüştürücü, filtreleme gerektirir. Bu uygulamalarda güç faktörü düzeltmesi (PFC) bir gerekliliktir.
İnç küp başına 100 watt güç yoğunluğuna sahip yüksek yoğunluklu DC-DC dönüştürücüler için Amerikan Donanma Araştırma Ofisi ile bir araştırma projesininde, motor tahrik gücü yoğunluğundaki yüzde 50'lik artışa ek olarak, proje hedefleri arasında uçak güç dönüştürme sistemlerinin boyutunda ve ağırlığında yüzde 50 azalma istenmektedir. Güçte önemli artışlar ve yüzde 90 verimlilik yer alıyor. Bu yüzden, MIL-STD-461 ile uyumlu ön uç için EMI filtreleri, tek fazlı giriş için güç faktörü düzeltmeli (PFC) modüller ve bir mühendisin merkezi bir güç kaynağını bir araya getirmesi için diğer temel yapı taşlarının oturtulması söz konusudur. Burada HDM(High Density Module) olarak bu modüllerin tasarımı önem kazanmıştır.
Askeri sistemlerle ilgili tüm donanım deneyimlerimi paylaştığım, 100' den fazla makaleme BLOG' uma üye olarak, tam erişim sağlayabilirsiniz.
Ayrıca; gün geçtikçe sayısı artan yeni makalelerimden ve yakında siteye eklenecek olan özel devre arşivinden faydalanmak ve anında haberdar olmak için lütfen BLOG' a üye olunuz.
BLOG' üye olarak diğer BLOG üyeleriyle iletişime geçebilir. Aynı zamanda BLOG' da önemli bulduğunuz makale ve yazıları paylaşabilirsiniz.
