Что такое PFC и зачем это нужно. Устройство компьютерных блоков питания и методика их тестирования

Что такое Блок питания с активным PFC Power Factor Correction модулем?

1. PFC (Power Factor Correction)

   Обычная, классическая, схема выпрямления переменного напряжения сети 220V состоит из диодного моста и сглаживающего конденсатора. Проблема в том, что ток заряда конденсатора носит импульсный характер (длительность порядка 3mS) и, как следствие этого, очень большим током. Например, для БП с нагрузкой в 200W средний ток из сети 220V будет 1A, а импульсный - в 4 раза больше. Если таких БП много и (или) они мощнее? ..тогда токи будут просто сумасшедшими - не выдержит проводка, розетки, да и платить придется больше за электричество, ведь качество тока потребления весьма сильно учитывается. Например, на больших заводах имеются специальные конденсаторные установки для компенсации "косинуса". В современной компьютерной технике столкнулись с теми же проблемами, но ставить многоэтажные конструкции никто не будет, и пошли другим путем - в блоках питания ставят специальный элемент по уменьшению "импульсности" потребляемого тока - PFC. Он встраивается между выпрямителем и конденсатором, ограничивает ток по амплитуде и растягивает во времени. PFC бывают пассивными и активными, что определяется демпфирующим элементом.

2. Точно не знаю но это по ходу дела встроенный фильтр помех в электросети. То есть такому компу не нужен сетевой фильтр.
3. PFC(Power Factor Correction) переводится как Коррекция фактора мощности, встречается также название компенсация реактивной мощности.
4. Обычный импульсный БП питается синусоидой (той самой, которя 220В) через выпрямитель (мост) с емкостной нагрузкой. Поэтому потребляемый ток далеко не синусоидален, он имеет вид коротких пиков, расположенных на вершинах синусоиды. Т. е. с точки зрения теории цепей, он является нелинейным элементом, и вызывает излучение в сеть сильных помех (гармоники 50Гц) . При большом количестве таких нагрузок также нарушается нормальная работа трансформаторной подстанции - увеличиваются потери, падает КПД. PFC - это дополнительный преобразователь, питающийся от выпрямителя без емкостной нагрузки (пульсирующее напряжение с частотой 100Гц) и выдающий постоянное напряжение, от которого уже питается основной преобразователь. Преимущество такой схемы - потребляемый ток близок к синусоиде, уменьшается уровень помех и трансформатор работает в нормальном режиме. Недостаток - сложность и цена. Обычно такие схемы встречаются в БП большой мощности, начиная от сотен ВТ, включая популярные сейчас преобразователи для асинхронных двигателей.
5. PFC(Power Factor Correction) переводится как Коррекция фактора мощности, встречается также название компенсация реактивной мощности. Наиболее простым и потому наиболее распространенным является так называемый пассивный PFC, представляющий собой обычный дроссель сравнительно большой индуктивности, включенный в сеть последовательно с блоком питания.
   Активный PFC представляет собой еще один импульсный источник питания, причем повышающий напряжение.
   активный PFC, в отличие от пассивного, улучшает работу блока питания - он дополнительно стабилизирует входное напряжение основного стабилизатора блока блок становится заметно менее чувствительным к пониженному сетевому напряжению, также при использовании активного PFC достаточно легко разрабатываются блоки с универсальным питанием 110...230В, не требующие ручного переключения напряжения сети. (Такие БП имеют специфическую особенность их эксплуатация совместно с дешвыми ИБП (источник бесперебойного питания) , выдающими ступенчатый сигнал при работе от батарей может приводить к сбоям в работе компьютера, поэтому производители рекомендуют использовать в таких случаях ИБП класса Smart)
   Также использование активного PFC улучшает реакцию блока питания во время кратковременных (доли секунды) провалов сетевого напряжения в такие моменты блок работает за счет энергии конденсаторов высоковольтного выпрямителя, эффективность использования которых увеличивается более чем в два раза. Ещ одним преимуществом использования активного PFC является более низкий уровень высокочастотных помех на выходных линиях, т. е. такие БП рекомендуются для использования в ПК с периферией, предназначенной для работы с аналоговым аудио/видео материалом.

Добрый день, друзья!

Наверняка многие из вас видели на компьютерном блоке питания таинственные буквы «PFC». Сразу скажем, что на самых дешевых блоках этих букв, скорее всего, не будет. Хотите, я открою вам эту страшную тайну? Внимайте!

Что такое PFC?

PFC – это аббревиатура от слов Power Factor Correction (коррекция коэффициента мощности). Перед тем, как расшифровать этот термин, вспомним какие бывают виды мощности.

Активная и реактивная мощность

Еще в школьном курсе физики нам рассказывали, что мощность бывает активная и реактивная.

Активная мощность делает полезную работу, в частности, выделяясь в виде тепла.

Классический примеры - утюг и лампа накаливания. Утюг и лампочка - почти чисто активная нагрузка, напряжение и ток на такой нагрузке совпадают по фазе.

Но существует и нагрузка с реактивностью - индуктивная (электродвигатели) и емкостная (конденсаторы). В реактивных цепях существует сдвиг фаз между током и напряжением, так называемый косинус φ (Фи).

Ток может отставать от напряжения (в индуктивной нагрузке) или опережать его (в емкостной нагрузке).

Реактивная мощность не производит полезной работы, а только болтается от генератора к нагрузке и обратно, бесполезно нагревая провода .

Это означает, что проводка должна иметь запас по сечению.

Чем больше сдвиг фаз между током и напряжением, тем большая часть мощности бесполезно рассеивается на проводах.

Реактивная мощность в блоке питания

В компьютерном после выпрямительного моста стоят конденсаторы достаточно большой емкости. Таким образом, присутствует реактивная составляющая мощности. Если компьютер используется дома, то обычно проблем никаких не возникает. Реактивная мощность обычным бытовым счетчиком электроэнергии не фиксируется.

Но в здании, где установлена сотня или тысяча компьютеров, учитывать реактивную мощность необходимо!

Типичное значение косинуса Фи для компьютерных блоков питания без коррекции — около 0,7, т. е. проводка должна быть рассчитана с 30% запасом по мощности.

Однако излишней нагрузкой на провода дело не ограничивается!

В самом блоке питания ток через входные высоковольтные протекает в виде коротких импульсов. Ширина и амплитуда этих импульсов может меняться в зависимости от нагрузки.

Большая амплитуда тока неблагоприятно влияет на высоковольтные конденсаторы и диоды, сокращая срок их службы. Если выпрямительные диоды выбраны «впритык» (что часто бывает в дешевых моделях), то надежность всего блока питания еще более снижается.

Как осуществляется коррекция коэффициента мощности?

Для борьбы со всеми этими явлениями и используют устройства, повышающие коэффициент мощности.

Они делятся на активные и пассивные.

Пассивная схема PFC представляет собой дроссель, включенный между выпрямителем и высоковольтными конденсаторами.

Дроссель - это индуктивность, обладающая реактивным (точнее, комплексным) сопротивлением.

Характер ее реактивности противоположен емкостному сопротивлению конденсаторов, поэтому происходит некоторая компенсация. Индуктивность дросселя препятствует нарастанию тока, импульсы тока слегка растягиваются, их амплитуда уменьшается.

Однако косинус φ повышается незначительно и большого выигрыша по реактивной мощности не происходит.

Для более существенной компенсации применят активные схемы PFC .

Активная схема повышает косинус φ до 0,95 и выше. Активная схема содержит в себе повышающий преобразователь на основе индуктивности (дросселя) и силовых коммутирующих элементов, которые управляются отдельным контроллером. Дроссель периодически то запасает энергию, то отдает ее.

На выходе PFC стоит фильтрующий электролитический конденсатор, но меньшей емкости. Блок питания с активной PFC менее чувствителен к кратковременным «провалам» питающего напряжени я, что является преимуществом. Однако применение активной схемы удорожает конструкцию.

В заключение отметим, что наличие PFC в конкретном питающем блоке можно идентифицировать по буквам «PFC” или «Active PFC”. Однако могут быть случаи, когда надписи не соответствуют действительности.

Однозначно судить о наличии пассивной схемы можно по наличию достаточно увесистого дросселя, а активной - по наличию еще одного радиатора с силовыми элементами (всего их должно быть три).

Вот так, друзья! Хитро компьютерный блок питания устроен, не правда ли?

Всего наилучшего!

До встречи на блоге!

Выбрать блок питания для компьютера не так просто, как может казаться. От выбора блока питания будет зависеть стабильность и срок службы компонентов компьютера, поэтому стоит подойти к этому вопросу более серьезно. В данной статье я попытаюсь перечислить основные моменты, которые помогут определиться в выборе надежного блока питания.

Мощность.
На выходе блок питания дает следующие напряжения +3.3 v, +5 v, +12 v и некоторые вспомогательные -12 v и + 5 VSB. Основная нагрузка ложится на линию +12 V.
Мощность (W - Ватт)расчитывается по формуле P = U x I, где U – это напряжение (V - Вольт), а I – сила тока (A - Ампер). Отсюда вывод, чем больше сила тока по каждой линии, тем больше мощность. Но не все так просто, допустим при большой нагрузке по комбинированной линии +3.3 v и +5 v, может уменьшиться мощность на линии +12 v. Разбирем пример на основе маркировки блока питания Cooler Master RS-500-PSAP-J3 – это первое фото, которое я нашел в интернете.

Указано, что максимальная суммарная мощность по линиям +3.3V и +5V = 130W, также указано, что максимальная мощность по линии +12V = равна 360W. Обратите внимание, что указаны две виртуальные линии +12V1 и +12V2 по 20 Ампер каждая – это вовсе не означает, что общий ток 40А, так как при токе в 40А и напряжении 12V, мощность бы была 480W (12x40=480). На самом деле указан максимально возможный ток на каждой линии. Реальный же максимальный ток легко рассчитать по формуле I=P/U, I = 360 / 12 = 30 Ампер.
Также обратите внимание на строчку ниже:
The +3.3 V & +5 V & +12 V total output shall not exceed 427.9 W – получается что суммарная мощность по всем линиям не должна превышать 427.9W. В итоге мы получаем не 490W (130 + 360), а всего лишь 427.9. Опять же важно понимать, что если нагрузка на линии +3.3V и 5V будет, скажем 100W, то отняв от максимальной мощности 100W, т.е. 427.9 – 100 = 327.9. В итоге мы получим 327.9W в остатке на линии +12V. Конечно, в современных компьютерах нагрузка на линии +3.3V и +5V вряд ли будет больше 50-60W, поэтому смело можно считать, что мощность на линии +12V будет 360W, а ток 30A.

Расчет мощности блока питания .
Для расчета мощности блока питания можете воспользоваться этим калькулятором http://www.extreme.outervision.com/psucalculatorlite.jsp , сервис на английском языке, но думаю разобраться можно.
По своему опыту могу сказать, что для любого офисного компьютера вполне достаточно блока питания на 300W. Для игрового хватит БП на 400 - 500W, для самых мощных игровых с очень мощной видеокартой или с двумя в режиме SLI или Crossfire – необходим блок на 600 - 700W.
Процессор обычно потребляет от 35 до 135W, выдеокарта от 30 до 340W, материнская плата 30-40W, 1 планка памяти 3-5W, жесткий диск 10-20W. Учитывайте также, что основная нагрузка ложится на линию 12V. Да, и не забудьте добавить запас 20-30% с расчетом на будущее.

КПД.
Не маловажным будет КПД блока питания. КПД (коэффициент полезного действия) - это отношение выходной мощности к потребляемой. Если бы блок питания мог преобразовать электрическую энергию без потерь, то его КПД был 100%, но пока это невозможно.
Приведу пример, для того, чтобы блоку питания с КПД 80% обеспечить на выходе мощность 400W, он должен потреблять от сети не больше 500W. Тот же блок питания, но с КПД 70%, будет потреблять около 571W. Опять же, если блок питания не сильно нагружен, например на 200W, то и потреблять от сети он будет тоже меньше, 250W при КПД 80% и приблизительно 286 при КПД 70%.
Существует организация, которая тестирует блоки питания на соответствие определенному уровню сертификации. Сертификация 80 Plus проводилась только для электросети 115В распространенной, например в США. Начиная с уровня 80 Plus Bronze, блоки питания тестируются для использования в электросети 230В. Например, для прохождения сертификации уровня 80 Plus Bronze КПД блока питания должен быть 81% при нагрузке 20%, 85% при нагрузке 50% и 81% при нагрузке 100%.

Наличие одного из логотипов на блоке питания говорит о том, что блок питания соответствует определенному уровню сертификации.
Плюсы блока питания с высоким КПД:
Во-первых, меньше энергии выделяется в виде тепла, соответственно системе охлаждения блока питания нужно отводить меньше тепла, следовательно, и шума от работы вентилятора меньше. Во-вторых, небольшая экономия на электричестве. В-третьих, качество у данных БП высокое.

Активный или пассивный PFC?

PFC (Power Factor Correction) – Коррекция фактора (коэффициента) мощности. Фактором мощности называется отношение активной мощности к полной (активной + реактивной).

Так как реальная нагрузка обычно имеет еще индуктивную и емкостную составляющие, то к активной мощности добавляется реактивная. Нагрузкой реактивная мощность не потребляется – полученная в течение одного полупериода сетевого напряжения, она полностью отдается обратно в сеть в течение следующего полупериода, впустую нагружая питающие провода. Получается, что от реактивной мощности толку ноль, и с ней по возможности борются, с помощью различных корректирующих устройств.

PFC - бывает пассивным и активным.

Преимущества активного PFC:

Активный PFC обеспечивает близкий к идеальному коэффициент мощности (у активного 0.95-0.98 против 0.75 у пассивного).
Активный PFC стабилизирует входное напряжение основного стабилизатора, блок питания становится менее чувствительным к пониженному сетевому напряжению.
Активный PFC улучшает реакцию блока питания во время кратковременных провалов сетевого напряжения.

Недостатки активного PFC:

Снижает надежность блока питания, так как усложняется устройство самого блока питания. Требуется дополнительное охлаждение. В целом преимущества активного PFC перевешивают его недостатки.

В принципе можно не обращать внимания на тип PFC. В любом случае, при покупке блока питания меньшей мощности, в нем, скорее всего, будет пассивный PFC, при покупке более мощного блока от 500 W – вы, скорее всего, получите блок с активным PFC.

Система охлаждения блоков питания.
Наличие в блоке питания, вентилятора считается нормой, его диаметр чаще всего 120, 135 или 140 мм.

Кабели и разъемы.
Обратите внимание на количество разъемов и длину кабелей идущих от блока питания, в зависимости от высоты корпуса нужно выбрать БП с соответствующими по длине кабелями. Для небольшого корпуса достаточно длины 40-45 см.

Современный блок питания имеет следующие разъемы:

	24-х контактный разъем для питания материнской платы. Обычно раздельный 20 и 4 контакта, бывает и цельный.
	Разъем процессора. Обычно 4-х контактный, для более мощных процессоров используется 8-и контактный.
	Разъем для дополнительного питания видеокарты. 6-и и 8-и контактный. 8-и контактный иногда сборный 6+2 контакта.
	Разъем SATA для подключения жестких дисков и оптических приводов.
	4-х контактный разъем (Molex) для подключения старых IDE жестких дисков и оптических приводов, также применяют для подключения вентиляторов.
	4-х контактный разъем для подключения дисководов FDD.

Модульные кабели и разъемы.
Многие более мощные блоки питания сейчас используют модульное подключение кабелей с разъемами. Это удобно, тем, что нет надобности, держать неиспользуемые кабели внутри корпуса, к тому же меньше путаницы с проводами, просто добавляем по мере необходимости. Отсутствие лишних кабелей, также улучшает циркуляцию воздуха в корпусе. Обычно в этих блоках питания несъемные только разъемы для питания материнской платы и процессора.

Производители.
Производители блоков питания делятся на три группы:

1. Производят свою продукцию – это такие бренды, как FSP, Enermax, HEC, Seasonic, Delta, Hipro.
2. Производят свою продукцию, частично перекладывая производство на другие компании, например Corsair, Antec, Silverstone, PC Power & Cooling, Zalman.
3. Перепродают под собственной маркой (некоторые влияют на качество и выбор компонентов, некоторые нет), например Chiftec, Cooler Master, Gigabyte, OCZ, Thermaltake.

Можно смело приобретать продукцию этих брендов. В интернете можно найти обзоры и тесты многих блоков питания и ориентироваться по ним.
Надеюсь, данная статья поможет вам дать ответ на вопрос «как выбрать блок питания для компьютера ?».

И снова здравствуйте!..
К сожалению статья моя задержалась, т.к. возник срочный проект по работе, а так же появились интересные трудности при реализации корректора коэффициента мощности (далее ККМ ). А вызваны они были следующим - мы в своем производстве для управления ККМ используем «заказную» микросхему, которую нам под наши задачи производит дружественная особенно в 1941-м Австрия и соответственно в продаже ее не встретить. Поэтому встала задача переделать данный модуль под доступную элементарную базу и мой выбор пал на микросхему ШИМ-контроллер - L6561 .
Почему именно она? Банальная доступность, вернее нашел ее в «Чип и Дип» , почитал даташит - понравилась. Заказал сразу 50 шт, т.к. дешевле и в своих любительских проектах у меня уже есть несколько задач для нее.

Теперь о главном: в данной стать я расскажу как почти с нуля вспоминал о проектирования однотактных преобразователей (казалось бы при чем тут они ), почему убил десяток ключей и как этого избежать вам. Данная часть расскажет теорию и что бывает если пренебрегать ей. Практическая же реализация выйдет в следующей части как я и обещал вместе с зарядным устройством , т.к. они по сути являются одним модулем и тестировать их надо вместе.
Забегая вперед скажу, что для следующей части уже заготовил пару десятков фотографий и видео, где мое ЗУ не надолго «переквалифицировалось» сначала в сварочный аппарат, а затем в блок питания для «козла» . Те, кто работают на производстве поймут что это за зверь и сколько он потребляет для нашего согревания)))

А теперь к нашим баранам…

Зачем он нам вообще нужен этот ККМ?

Главное бедой «классического» выпрямителя с накопительным конденсаторов (это та штука, которая превращает 220В переменного тока в +308В постоянного тока), который работает от синусоидального тока является то, что этот самый конденсатор заряжается (берет энергию из сети) только в моменты, когда напряжение приложенное к нему больше чем на нем самом.

На человечьем языке, слабонервным и с научными степенями не читать

Как нам известно электрический ток напрочь отказывается идти, если нету разности потенциалов. От знака же разности этой будет еще зависеть и направление протекания тока! Если вы психанули и решили попробовать напряжением 2В заряжать свою мобилу, где батарея Li-ion и рассчитана на 3.7В, то ничего у вас не выйдет. Т.к. ток будет отдавать тот источник, который имеет больший потенциал, а получать энергию будет тот у кого потенциал ниже.
Все как в жизни! Вы весите 60 кг, а парень на улице, который подошел попросить позвонить 120 кг - понятное дело, что пиздюлей раздаст он, а вы их получите. Так и тут - батарейка при своих 60 кг 2В не сможет дать ток в аккумулятор с 120 кг 3.7В. С конденсатором точно так же, если на нем +310В и вы приложите к нему +200В, то он ток получать откажется и заряжаться не будет.

Стоит так же заметить, что исходя из описанного выше «правила» время, отведенное конденсатору на зарядку будет очень маленьким. У нас же ток изменяется по синусоидальному закону, а значит необходимое напряжение будет лишь на пиках синусоиды! Но конденсатору то работать надо, поэтому он нервничает и пытается зарядиться. Он знает законы физики в отличии от некоторых и «понимает», что времени мало и поэтому начинает в эти самые моменты, когда напряжение в пике, потреблять просто огромный ток. Ведь его должно хватить на работу устройства до наступления следующего пика.

Немного об этих «пиках»:

Рисунок 1 - Пики в которых заряжается конденсатор

Как мы видим кусок периода в котором ЭДС принимает достаточное значение для заряда (образно 280-310В) составляет около 10% от полного периода в сети переменного тока. Получается, что мы вместо того, чтобы постоянно забирать плавно энергию из сети, вырываем ее лишь небольшими эпизодами, тем самым мы «перегружаем» сеть. При мощности в 1 кВт и индуктивной нагрузке, ток в момент таких «пиков» может спокойной достигать значений на 60-80А .

Поэтому наша задача сводится к обеспечению равномерного отбора энергии из сети, чтобы не перегружать сеть! Именно ККМ позволит нам реализовать данную задачу на практике.

Кто такой этот ваш ККМ?

Корректор мощности - это обычный повышающий преобразователь напряжения, чаще всего он однотактный. Т.к. мы используем ШИМ модуляцию, то в момент открытого ключа напряжение на конденсаторе постоянное. Если мы стабилизируем выходное напряжение, то ток забираемый из сети пропорционален входному напряжению, то есть изменяется плавно по синусоидальному закону без ранее описанных пиков потребления и скачков.

Схемотехника нашего ККМ

Тут я решил не изменять своим принципам и так же положился на даташит, выбранного мною контроллера - L6561 . Инженеры компании STMicroelectronics уже сделали все за меня, а если конкретнее, то он уже разработали идеальную схемотехнику для своего продукта.
Да я могу сам с нуля пересчитать все и потратить на это дело день-два, то есть все свои и так редкие выходные, но спрашивается зачем? Доказывать себе что могу, этот этап к счастью давно пройден)) Тут у меня вспоминается бородатый анекдот про площадь красных шариков, мол математик применяет формулу, а инженер достает таблицу с площадью красных шариков.... Так и в этом случае.

Советую сразу обратить внимание на то, что схема в даташите рассчитана на 120 Вт, а значит нам следует ее адаптировать под наши 3 кВт и запредельные напряжения работы.

Теперь немного документации к описанному выше:
Даташит на L6561

Если мы посмотри на страницу 6, то увидим несколько схем, нас интересует схема с подписью Wide-range Mains , что с басурманского значит «для работы в широком диапазоне напряжения питающей сети» . Именно данный «режим» я имел ввиду, говоря о запредельных напряжениях. Устройство считается универсальным, то есть может работать от любой стандартной сети (например, в штатах 110В) при диапазоне напряжений 85 - 265В.

Данное решение позволяет нам обеспечит нашему ИБП еще и функцию стабилизатора напряжения! Для многих такой диапазон покажется избыточным и тогда они могут выполнить данный модуль с учетом напряжения питания 220В +- 15%. Это считается нормой и 90% устройств в ценовой категории до 40 тыс. руб вообще лишены ККМ, а 10% используют его лишь с расчетом отклонений не более 15%. Это бесспорно позволяет несколько снизить себестоимость и габариты, но если вы еще не забыли, то мы делаем устройство, которое обязано потягаться с АРС!

Поэтому для себя я решил выбрать самый правильный вариант и сделать не убиваемый танк, который сможет вытянуть даже на даче, где 100В в сети сварочный аппарат или насос в скважине:


Рисунок 2 - Стандартное схемотехническое решение, предлагаемое ST

Адаптация стандартной схемотехники под наши задачи

а) Когда смотрю на данную схему из ДШ, первым что приходит в голову - необходимо добавить фильтр синфазных помех! И это правильно, т.к. на большой мощности они начнут «сводить с ума» электронику. Для токов 15 А и более он будет иметь более усложненный вид, чем многие привыкли его видеть в тех же компьютерных БП, где всего 500-600 Вт. Поэтому данная доработка будет отдельным пунктом.

Б) Мы видим конденсатор С1, можно взять хитрую формулу и посчитать необходимую емкость и я советую тем, кто хочет вникнуть это сделать, за одно вспомнив электротехнику 2 курса с любого политеха. Но я этим заниматься не буду, т.к. по собственным наблюдениям из старых расчетов помню, что до 10 кВт данная емкость растет почти линейно относительно роста мощности. То есть взяв в расчет 1 мкФ на 100 Вт, мы получим, что для 3000 Вт нам необходимо 30 мкФ. Данная емкость легко набирается из 7 пленочных конденсаторов по 4,7 мкФ и 400В каждый. Даже немного с запасом, ведь емкость конденсатора сильно зависит от приложенного напряжения.

В) Силовой транзистор нам понадобится серьезный, т.к. ток потребляемый от сети будет вычислять так:


Рисунок 3 - Расчет номинального тока для ККМ

Получили мы 41,83А . Теперь мы честно признаем, что удержать температуру кристалла транзистора в районе 20-25 о С мы не осилим. Вернее осилить можем, но будет дорого для такой мощности. После 750 кВт стоимость охлаждение фреоном или жидким кислородом размывается, но пока до этого далеко))) Поэтому нам надо найти транзистор, который сможет давать 45-50А при температуре 55-60 о С.

Учитывая, что в цепи есть индуктивность, то я предпочту IGBT транзистор, ибо наиболее живучие. Предельный ток надо надо выбирать для поиска сначала около 100А, т.к. это ток при 25 о С, с ростом температуры предельный коммутируемый ток транзистора снижается.

Немного о Cree FET

Получил я буквально 9 января посылку из Штатов от своего товарища с кучей разных транзисторов на тест, называется сие чудо - CREE FET . Не скажу, что это новая мега технология, на самом деле транзисторы на основе карбида кремния сделали еще в 80-х, просто до ума довели почему лишь сейчас. Я как изначальный материаловед и композитчик вообще к данной отрасли отношусь щепетильно, поэтому меня очень заинтересовал данный товар, тем более было заявлено 1200В при десятках и сотнях ампер. В России купить их не смог, поэтому обратился к своему бывшему одногруппнику и он любезно выслал мне кучу образцов и тестовую плату с forward"ом.
Могу сказать одно - это был мой самый дорогой фейерверк!
8 ключей ебнуло так, что я огорчился и на долго… На самом деле 1200В это теоретическая цифра для технологии, заявленные 65А оказались лишь импульсным током, хотя в документации было четко написано мол номинальный. Видимо был «номинальный импульсный ток» ну или как там еще китайцы придумывают. В общем то еще фуфло, но есть одно НО!
Когда я все таки сделал на CMF10120D корректор на 300 Вт, то оказалось, что он на одном и том же радиаторе и схеме имел температуру в 32 о С против 43-х у IGBT, а это очень существенно!
Вывод по CREE: технология сыровата, но она перспективна и ей определенно БЫТЬ.

В итоге полистав каталоги с посещенных мною выставок (удобная штука кстати аля параметрический поиск) я выбрал два ключа, ими стали - IRG7PH50 и IRGPS60B120 . Оба на 1200В, оба на 100+А, но открыв даташит первый ключ отсеялся сразу - он способен коммутировать ток 100А лишь на частоте в 1 кГц, для нашей задачи это губительно. Второй ключ на 120А и частоту в 40 кГц, что вполне подходит. Смотри даташит по ссылке ниже и ищем график с зависимостью тока от температуры:

Рисунок 4.1 - График с зависимостью максимального тока от частоты коммутации для IRG7PH50, оставим его на частотник

Рисунок 4.2 - График с рабочим током при заданной температуре для IRGPS60B120

Тут наблюдаем заветные цифры, которые показывают нам, что при 125 о С и транзистор и диод спокойно осилят токи чуть более 60А, при этом мы сможем реализовать преобразование на частоте в 25 кГц без каких либо проблем и ограничений.

Г) Диод D1, нам необходимо выбрать диод с рабочим напряжением не менее 600В и током номинальным для нашей нагрузки, то есть 45А. Я решил применить те диоды, которые у меня оказались под рукой (не давно закупил их для разработки сварочника под «косой мост») это - VS-60EPF12 . Как видно из маркировки он на 60А и 1200В. Ставлю я все с запасом, т.к. данный прототип делается для себя любимого и мне так спокойнее.
На самом деле вы можете поставить диод на 50-60А и 600В, но цена между версией на 600 и 1200В отсутствует.

Д) Конденсатор С5, тут все как в случае с С1 - достаточно увеличить номинал из даташита пропорционально мощности. Только стоит учесть, что если у вас планируется мощная индуктивная нагрузка или динамическая с быстрыми нарастаниями мощности (аля концертный усилок на 2 кВт), то лучше на этом пункте не экономить.
Я в своем вариант поставлю 10 электролитов по 330 мкФ и 450В , если вы планируете запитывать пару компьютеров, роутеры и прочую мелочь, то можно ограничиться 4-мя электролитами по 330 мкФ и 450В.

Е) R6 - он же токовый шунт, спасет нас от кривых рук и ошибок случайных, так же защищает схему от короткого замыкания и превышения нагрузки. Штука полезная однозначно, но если мы поступим как инженеры из ST, то на токах в 40А у нас получится обычный кипятильник. Тут есть 2 варианта: трансформатор тока или заводской шунт с падением 75мВ + ОУ аля LM358.
Первый вариант проще и дает гальваническую развязку данного узла схемы. Как рассчитывать трансформатор тока я приводил в предыдущей статье, важно помнить, что защита сработает, когда на ноге 4 напряжение вырастет до 2,5В (в реальности до 2,34В) .
Зная это напряжение и ток цепи, используя формулы из части 5 вы легко посчитаете трансформатор тока.

Ж) И последний пункт - это силовой дроссель. О нем чуть ниже.

Силовой дроссель и его расчет

Если кто-то внимательно читал мои статьи и у него отличная память, то он должен вспомнить статью 2 и фотографию № 5 , на ней видны 3 элемента моточных, которые мы используем. Еще раз покажу:

Рисунок 5 - Каркасы и сердечник для силовых моточных изделий

В данном модуле мы будем использовать опять таки наши любимые тороидальные кольца из распыленного железа, но только в этот раз не одно, а сразу 10! А как вы хотели? 3 кВт это вам не китайские поделки…

Исходные данные у нас есть:
1) Ток - 45А + 30-40% на амплитуду в дросселе, итого 58,5А
2) Напряжение на выходе 390-400В
3) напряжение на входе 85-265В AC
4) Сердечник - материал -52, D46
5) Зазор - распределенный

Рисунок 6 - И снова уважаемый Starichok51 экономит нам время и считает программкой CaclPFC

Я думаю расчет всем показал насколько это будет серьезная конструкция)) 4 кольца, да радиатор, диодный мост, да IGBT - ужас!
Правила намотки можно вычитать в статье «Часть 2». Вторичная обмотка на кольца мотается в количестве - 1 витка.

Итог по дросселю:

1) как вы видите количество колец аж 10 штук! Это накладно, каждое кольцо стоит около 140р, но что мы получим в замен в следующих пунктах
2) температура рабочая 60-70 о С - это совсем идеально, ведь многие закладывают рабочую температуру 125 о С. У себя на производстве 85 о С закладываем. Для чего это сделано - для спокойного сна, я спокойно уезжаю из дома на неделю и знаю, что у меня ничего не вспыхнет, не сгорит и все ледяное. Думаю цена за это в 1500р не такая смертельная, не так ли?
3) Плотность тока я поставил мизерную в 4 А/мм 2 , это повлияет и на тепло, и на изоляцию и соответственно на надежность.
4) Как видите по расчету емкость после дросселя рекомендована почти 3000 мкФ, так что мой выбор с 10 электролитами по 330 мкФ отлично сюда вписывается. Емкость конденсатора С1 получилась 15 мкФ, у нас двойной запас - можно уменьшить до 4-х пленочных кондеров, можно оставить 7 штук и это будет лучше.

Важно! Количество колец в основном дросселе можно уменьшить до 4-5, попутно увеличив плотность тока до 7-8 А/мм 2 . Это позволит неплохо сэкономить, но амплитуда тока вырастит несколько, а главное температура повысится не менее чем до 135 о С. Я считаю это хорошим решением для сварочного инвертора с ПВ 60%, но не для ИБП, который работает круглосуточно и наверняка в довольно ограниченном пространстве.

Что могу сказать - у нас растет монстр)))

Фильтр синфазных помех

Чтобы понять чем различаются схемы для данной фильтра на токи в 3А (упомянутый выше компьютерный БП) и на токи 20А, вы можете сравнить схемку из гугла на АТХ со следующей:


Рисунок 7 - Принципиальная схема фильтра синфазных помех

Несколько особенностей:

1) С29 - это конденсатор для фильтрации электромагнитных помех, имеет маркировку «Х1» . Его номинал должен быть в пределах 0,001 - 0,5 мФ.

2) Дроссель мотается на на сердечнике E42/21/20 .

3) Два дросселя на кольцах DR7 и DR9 мотаются на любом сердечнике из распыленки и диаметром более 20 мм. Я намотал на все тех же D46 из материала -52 до заполнения в 2 слоя. Шумов в сети даже при номинальной мощности практически нету, но это на самом деле даже в моем понимание избыточно.

4) Конденсаторы С28 и С31 по 0,047 мкФ и 1 кВ и их обязательно ставить класса «Y2».

По расчету индуктивности дросселей:

1) Индуктивность синфазного индуктора должна составлять 3,2-3,5 мГн

2) Индуктивность для дифференциальных дросселей рассчитывается по формуле:


Рисунок 8 - Расчет индуктивности дифференциальных дросселей без магнитной связи

Эпилог

Используя грамотные и профессиональные наработки инженеров компании ST, мне удалось с минимальными затратами изготовить если не идеальный, то просто отличный активный корректор коэффициента мощности с параметрами лучше чем у любого Шнайдера. Единственное вам обязательно стоит помнить насколько оно вам необходимо? И исходя из этого корректировать параметры под себя.

Моей целью в данной статье было как раз показать процесс расчета с возможностью корректирования исходных данных, чтобы каждый определившись с параметрами для своих задач уже сам посчитал и изготовил модуль. Надеюсь мне удалось показать это и в следующей статье я продемонстрирую совместную работу ККМ и зарядного устройства из части №5.

Неэффективное использование электроэнергии, помехи в электросети, вызванные подключенными устройствами - проблемы, которые пытаются решить во всем мире.

В декабре 2010 года Европа начала работать по новому стандарту EN 61000-3-12. Новый стандарт определяет нормы для гармонических составляющих тока, создаваемых оборудованием, подключаемым к низковольтным системам общего пользования, с номинальным током более 16 А и менее 75 А в одной фазе. Назначение этого стандарта не допустить подключение к электросети устройств, которые могут создать помехи на линии, т.е. обеспечить электромагнитную совместимость устройств в точке общего доступа и увеличить эффективность потребление электроэнергии.

Применение блоков PFC (Power Factor Corrector) или корректоров коэффициента мощности источника Км является одним из эффективных решений проблемы эффективного потребления электроэнергии и соответствует стандарту EN 61000-3-12.

Рассмотрим работу потребителей электроэнергии с блоком и без блока PFC.

Коэффициент мощности Км источника определяется, как отношение активной мощности к полной мощности. Максимальное значение коэффициента мощности равно 1, это идеальный вариант, когда вся потребляемая мощность используется для производства полезной работы без потерь. Коэффициент мощности используется для оценки эффективности потребления электроэнергии (чем выше коэффициент, тем выше эффективность), для расчета сети питания (проводки) и расчета устройств питания.

Во время работы все источники без блока коррекции коэффициента мощности PFC потребляют ток от сети питания короткими импульсами (рис.1).

Как следствие, значения потребляемого тока довольно велики. Например блоки питания с нагрузкой 200 Вт, средний ток будет равен 1 А, а импульсный ток будет в 4 раза выше. Если источник будет иметь большую нагрузку, тогда токи потребления будут очень большими, соответственно значительно увеличится нагрузка на питающую сеть и придется больше платить за электроэнергию.

Коэффициент мощности Км источников без блока PFC равен приблизительно 0,7, т. е. только 70% энергии потребляется источником питания для производства полезной работы, а 30% создают только дополнительную нагрузку сети.

Форма тока, потребляемая источником с блоком PFC, практически не отличается от формы напряжения питающей сети (рис. 2), коэффициент мощности Км в данном случае будет достигать значений 0,95-0,98, т. е. бу дет использоваться из сети столько электроэнергии, сколько необходимо для полезной работы.

Значения потребления тока с блоками PFC и без блока показаны на рис. 3.

Как мы видим, эффективность применения корректоров коэффициента мощности (PFC) очень высока. Корректоры стабилизируют потребляемый ток, снижают его значение, соответственно снижают потребляемую мощность и повышают эффективность источников. Корректоры широко применяются в электронных устройствах особенно в компьютерной технике. Применение данных устройств в сварочном оборудовании, как одном из основных потребителей электроэнергии на производстве, позволяет существенно снизить затраты, связанные с потребление электричества и повысить эффективность производства.

С целью повышения эффективности работы производимого оборудования и соответствия сварочного оборудования нормам европейского стандарта EN 61000-3-12 компания