Трехфазный ккм. Устройство импульсных блоков питания, APFC

На рынке персональных компьютеров становится все больше и больше блоков питания со встроенными корректорами мощности. Они выполнены с использованием различных интегральных микросхем, и поэтому имеют разные схемы построения, хотя общие принципы схемотехники (о которых рассказывалось в предыдущей публикации), практически, одинаковы. Поэтому, рассмотрев всего лишь одну микросхему, а именно, UCC3818, мы получим хорошее представление об архитектуре большинства контроллеров коррекции мощности.

Микросхема UCC3818 относится к семейству контроллеров коррекции мощности, к которому принадлежат еще и такие контроллеры, как UCC2817, UCC2818 и UCC3817. Различие между контроллерами этого семейства заключается в разных диапазонах рабочих температур и разных значениях напряжений UVLO (напряжения включения и напряжения выключения микросхемы). Микросхемы семейства являются ШИМ-контроллерами, выполняющими все функции, необходимые для активной коррекции коэффициента мощности. Контроллеры позволяют доводить значения коэффициент мощности почти до единицы путем формирования необходимой формы входного тока, в зависимости от параметров входного переменного напряжения. Контроллеры семейства работают в режиме среднего тока, в результате чего обеспечивается стабильность входного тока и малые искажения синусоидальности сетевого тока.

Контроллеры UCC x817/x818 имеют следующие основные особенности:

- обеспечивают управление повышающим преобразователем;

- ограничивают искажения, вносимые в питающую сеть;

- обеспечивают модуляцию передней кромки импульса тока;

- позволяют работать с любым переменным напряжением, использующимся в любых странах мира;

- обеспечивают защиту от превышения напряжения;

- обеспечивают ограничение потребляемой мощности на заданном уровне;

- работают в режиме среднего тока;

- обеспечивают улучшенное подавление шумов;

- имеют улучшенный алгоритм опережающего управления;

- имеют типовое значение пускового тока, равное 150 мкА;

- созданы с использованием маломощной технологии BiCMOS.

Контролеры семейства разработаны в компании Texas Instrument"s и обладают малым значением пускового тока и низким уровнем потребляемой мощности. В контроллерах используется технология модуляции передней кромки импульса тока, т.е. длительность рабочего цикла регулируется путем изменения времени начала заряда сглаживающего конденсатора (а не временем прекращения зарядного тока). Данная технология позволяет уменьшить величину пульсаций на сглаживающем конденсаторе, устанавливаемом на выходе корректора мощности, что, в итоге, приводит к уменьшению габаритов этого конденсатора, а, следовательно, и к снижению его стоимости и стоимости всей схемы.

Усилитель тока имеет малое входное смещение (2 мВ), что позволяет уменьшать искажения тока в условиях малой нагрузки.

Рис.1 Архитектура ШИМ-контроллера семейства UCC3818

Блок-схема ШИМ-контроллеров UCCx817/x818 представлена на рис.1. Предельные значения основных параметров микросхем представлены в табл.1.

Таблица 1. Предельные значения параметров UCC3818

Параметр	Обознач.	Значение
Питающее напряжение		18 V
Ток потребления		20 mA
Выходной управляющий ток (продолжительный)	I DRVOUT	0.2 A
Выходной управляющий ток	I DRVOUT	1.2 A
*CAI* , *MOUT* , SS
Входное напряжение на контакте *PKLMT*
Входное напряжение на контактах *VSENSE* , *OVP* / EN		10 V
Входной ток контактов RT , *IAC* , *PKLMT*		10 mA
Максимальное отрицательное напряжение на контактах *DRVOUT* , *PKLMT* , *MOUT*	V NEG	0.5 V
Рассеиваемая мощность
Температура пайки (10 сек)	T SOL	300° C

Контроллеры выпускаются в 16-контактных корпусах типа SOIC, PDIP, TSSOP. Распределение сигналов по контактам микросхемы представлено на рис.2, а в табл.2 дается описание этих сигналов.

Рис.2 Цоколевка микросхемы UCC3818

Таблица 2. Назначение контактов микросхемы UCC3818

№	Обознач.	Описание
		«Земля». Относительного это контакта измеряются все напряжения. Контакты *VCC* и *REF* должны подключаться к «земле» через конденсаторы 0.1 мкФ , или через большие керамические конденсаторы.
	PKLMT	Вход ограничения пикового тока корректора мощности. Порогом для токового ограничения является уровень 0В . Для формирования смещения сигнала ограничения тока используется внешний резистивный делитель, подключенный с одной стороны к «отрицательному» выводу токового датчика, а с другой стороны, к источнику опорного напряжения *VREF* . Полученное таким образом смещение соответствует пиковому значению тока. Ограничение тока осуществляется в тот момент, когда напряжение контакта *PKLMT* становится ниже 0В .
	CAOUT	Выход усилителя тока. Это выход операционного усилителя с широкой полосой пропускания, который измеряет величину сетевого тока и формирует команды для широтно-импульсного модулятора корректора мощности. Это позволяет устанавливать необходимого значение рабочего цикла ШИМ. Компенсационные внешние элементы устанавливаются между выходом *CAOUT* и входом *MOUT* .
		Неинвертирующий вход усилителя тока. Этот вход используется для контроля величины сетевого тока с помощью токового датчика, в качестве которого используется низкоомный резистор. Вход *CAI* соединен через резистор с той стороной токового датчика, которая подключена к «земле». Величина сетевого тока измеряется по разности потенциалов на контакте *CAI* и контакте *MOUT* (именно между двумя этими контактами и включается токовый датчик).
	MOUT	Мультиплексированный контакт, являющийся выходом умножителя и одновременно инвертирующим входом усилителя тока. Такая конфигурация позволяет улучшить защиту от помех и позволяет работать в режиме модуляции переднего фронта. Совместно с контактом *CAI* используется для контроля величины сетевого тока.
		Вход аналогового умножителя. На этом входе создается ток, пропорциональный мгновенному значению входного напряжения. Умножитель настроен таким образом, что позволяет отслеживать очень малые изменения входного тока. Рекомендуемое максимальное значение входного тока составляет 500 мкА .
	VAOUT	Выход усилителя ошибки по напряжению. Этим операционным усилителем осуществляется регулировка выходного напряжения. Выход усилителя внутренне ограничивается на величине примерно 5.5 В .
		Напряжение упреждающего управления. На этот контакт подается сигнал, пропорциональный среднедействующему (RMS ) значению напряжения. При отсутствии питающей сети на контакте *VFF* должно устанавливаться напряжение 1.4В .
	VREF	Выход опорного напряжения. На этом выходе формируется постоянное стабилизированное напряжение величиной 7.5В . Выходной ток этого контакта может достигать величины 20 мА, что необходимо для питания внешних периферийных цепей. В составе микросхемы имеется внутренняя цепь ограничения тока при коротких замыканиях. Выход *VREF* запрещен и установлен в 0В , если питающее напряжение *Vcc* ниже порога UVLO . Между контактом *VREF* и «землей» должен устанавливаться шунтирующий керамический конденсатор емкостью около 0.1мкФ (или больше) для обеспечения стабильности опорного напряжения.
	OVP / EN	Вход внутреннего компаратора, который запрещает работу выходного драйвера микросхемы в случае, если выходное напряжение превышает заданный уровень.
	VSENSE	Инвертирующий вход усилителя ошибки по напряжению. Обычно этот вход соединен с компенсационной цепью и с выходом повышающего преобразователя (подключается через делитель).
		Контакт для подключения частотозадающего резистора. Внешний резистор, включенный между этим выводом и «землей» задает величину тока для заряда конденсатора, подключенного к контакту CT . Номинал резистора рекомендуется выбирать в диапазоне 10…100 кОм . Номинальное напряжение на данном контакте равно 3В .
		Контакт для программирования «мягкого старта». К этому контакту подключается внешний конденсатор. Конденсатор разряжается, если питающее напряжение Vcc становится низким. Если работа «мягкого старта» разрешена, внешний конденсатор начинает заряжаться внутренним источником тока. Напряжение контакта SS используется как сигнал ошибки во время запуска микросхемы, разрешая регулировать ширину выходных импульсов. В случае, когда питающее напряжение *Vcc* падает, сигнал *OVP* / EN быстро опускается ниже 1.9В и внешний конденсатор SS быстро разряжается и запрещает функционирование ШИМ.
		Контакт для подключения частотозадающего конденсатора. Конденсатор, задающий частоту ШИМ, включается между этим контактом и «землей». Этот конденсатор должен располагаться как можно ближе к «земле».
		Положительное питающее напряжение. Для нормального функционирования, этот вход должен быть подключен к стабилизированному источнику, формирующему выходной ток величиной, как минимум, 20 мА и напряжение величиной 10…17 В . К контакту Vcc напрямую должен быть подключен шунтирующий конденсатор для поглощения импульсов тока, необходимых для заряда емкости затвора внешнего MOSFET -транзистора. Чтобы предотвратить формирование выходных импульсов неправильной формы на контакте *DRVOUT* , выходной драйвер контроллера должен быть заблокирован до тех пор, пока напряжение на контакте Vcc превышает верхний порог UVLO и находится ниже нижнего порога UVLO .
	DRVOUT	Выходной сигнал, управляющий внешним силовым ключом, в качестве которого используется полевой транзистор, т.е.на выходе формируются сигналы управления затвором полевого транзистора. Выход представляет собой тотемный выход, построенный на MOSFET -транзисторах. Между выходом *DRVOUT* и затвором внешнего полевого транзистора должен устанавливаться последовательный токоограничивающий резистор, который обеспечивает согласование между выходным сопротивлением микросхемы и сопротивлением затвора. Резистор позволяет избежать перегрузки выхода *DRVOUT* .

Рассмотрим практический вариант применения микросхемы UCC3818 в составе блока питания HPC 360-302. В этом блоке питания используется активный высокочастотный корректор мощности, устанавливаемый сразу же после диодного моста (рис.3). Входом схемы корректора мощности являются точки, обозначенные BD+ («плюс» диодного моста) и BD- («минус» диодного моста). Таким образом, на вход корректора мощности подается напряжение величиной примерно 300В. Выходом корректора мощности является напряжение Vo величиной около 400В (относительно точки GND).

Рис.3 Положение корректора мощности в блоке питания HPC 360-302

Принципиальная схема корректора мощности блока питания HPC 360-302 представлена на рис.4.

Рис.4 Принципиальная схема корректора мощности блока питания HPC 360-302

Питающее напряжение Vcc для контроллера UCC3818 формируется интегральным стабилизатором на напряжение +12В типа 7812 (IC1). На вход этого стабилизатора подается постоянное нестабилизированное напряжение величиной 15...20 В. Это напряжение формируется дежурным преобразователем блока питания. Для его формирования задействована дополнительная обмотка импульсного трансформатора дежурного преобразователя (рис.5). Импульсы, генерируемые в этой обмотке, выпрямляются диодом D8 и сглаживаются конденсатором С10. Ограничение полученного напряжения осуществляется стабилитроном ZD1. Таким образом, контроллер UCC3818 запускается сразу же, как только блок питания включается в сеть, и начинает работать дежурный преобразователь.

Рис.5 Формирование питающего напряжения для UCC3818 в корректоре мощности блока питания HPC 360-302

Включение UCC3818 происходит в момент, когда напряжение Vcc на конт.15 превышает значение 10.2 В.

При включении контроллера на конт.9 появляется опорное напряжение VREF величиной 7.5В, на конт.14 (CT) появляется пилообразное напряжение внутреннего частотозадающего генератора, а на выходе – на конт.16 (DRVOUT) появляются прямоугольные импульсы. Выходные импульсы контроллера управляют внешним силовым ключом, который в данной схеме образован двумя параллельно включенными полевыми транзисторами QF1 и QF2. параллельное включение двух транзисторов позволяет увеличить мощность схемы.

Переключение транзисторов QF1 и QF2 приводит к созданию импульсного тока в дросселе L1. Этот дроссель является, пожалуй «главным» элементом всей схемы. Импульсы, наводимые в дросселе, имеют амплитуду, значительно превышающую 300В. Эти импульсы выпрямляются диодом D7, в результате чего создается напряжение постоянного тока величиной около 400В.

Функцию токового датчика в схеме выполняют два параллельно включенных резистора большой мощности R14/R14A. Падение напряжения на этих резисторах пропорционально току, потребляемому схемой из сети. Это падение напряжения оценивается контроллером через входные контакты CAI (конт.4) и MOUT (конт.5). Кроме того, превышение током предельного значения отслеживается через конт.2 (PKLMT). Чем больше величина потребляемого тока, тем меньше напряжение на конт.2.

Выходное напряжение корректора мощности обозначено на схеме Vo. Величина этого напряжения контролируется микросхемой UCC3813 через входы VSENSE (конт.11) и OVP/EN (конт.10). Выходное напряжение подается на эти контакты через резистивный делитель, в который входят резисторы R2/R3/R4/R5/R19. Компенсационная цепь усилителя ошибки по напряжения состоит из элементов C7/C15/R7 и включена между конт.11 (VSENSE) и конт.7 (VAOUT).

Длительность периода «мягкого старта», в течение которого длительность выходных импульсов контроллера плавно нарастает в момент его включения, задается конденсатором С4, подключенным к конт.13 (SS).

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.

1. ЗАЧЕМ ЭТО НАДО?

Сразу скажем, что вопреки поверхностным утверждениям наличие корректора коэффициента мощности само по себе не дает улучшения формальных характеристик устройства, в котором он применен. Наоборот, введение ККМ как достаточно сложного устройства пока приводит к заметному удорожанию и усложнению продукта в целом (конечно, по мере развития техники цена будет снижаться). Тем не менее, уже сейчас введение ККМ в усилители мощности дает ряд очень важных преимуществ, с лихвой окупающих это усложнение.

Первым и самым важным преимуществом является тот факт, что при использовании усилителей с ККМ с той же проводкой без нарушения каких-либо норм можно использовать как минимум втрое-вчетверо более мощные усилители. Кстати, никакого нарушения физических (и юридических) законов здесь нет, а почему так получается - расскажем дальше.

Второе, не менее важное, но редко упоминаемое преимущество состоит в том, что обеспечить высокую энергоемкость блока питания с ККМ намного легче, чем традиционного. Энергоемкость - это мера способности блока питания отдавать в течение некоторого времени мощность в нагрузку, не "просаживая" сеть и не сильно снижая выходное напряжение. С практической точки зрения недостаток энергоемкости приводит к тому, что выходная мощность усилителя на низких частотах (там, где она нужнее всего!) оказывается намного меньше, а искажения других сигналов при наличии низкочастотного - намного выше, чем при измерениях на частоте 1 кГц, результаты которых (иногда всего лишь желаемые) рекламируются в описании. Проще говоря, при недостатке энергоемкости усилитель начинает "захлебываться" и искажать сигнал во время громких низкочастотных звуков, например, при ударе бочки. К сожалению, для усилителей с традиционным блоком питания этот нежелательный эффект скорее правило, нежели исключение. Поэтому при необходимости обеспечения хорошего качества и приходилось выбирать усилитель с большим запасом по мощности.

Третье преимущество - блок питания с ККМ по принципу действия стабилизирует выходное напряжение. Поэтому выходная мощность усилителя перестает жестко зависеть от напряжения сети - даже при "просевшей" сети отдается полная мощность.

Еще одним, совсем неожиданным преимуществом является то, что сетевой фон (тот самый) при использовании только усилителей с ККМ, оказывается, как правило, децибел на 10 ниже.

2. ЧТО ЭТО ТАКОЕ И КАК ЭТО РАБОТАЕТ?

Несмотря на многообразие реально существующих устройств, принцип работы ККМ можно рассмотреть на следующем простом примере (см. рис. 1).

Корректор коэффициента мощности - это не что иное, как почти обычный импульсный регулятор, питающийся выпрямленным, но несглаженным сетевым напряжением и стабилизирующий напряжение на выходном накопительном конденсаторе C2. Основной принцип его действия довольно прост и состоит в следующем. Сначала на короткое время замыкается ключ S1, и в катушке индуктивности L1 в полном соответствии с учебником физики начинает нарастать ток. Спустя некоторое время ключ размыкается, а энергия, накопленная в катушке, через диод переходит в выходной накопительный конденсатор. Этот цикл непрерывно повторяется, в результате чего на накопительный конденсатор поступают порции энергии, величина которых зависит от входного напряжения, величины индуктивности и времени замкнутого состояния ключа. Для того чтобы размеры катушки и потери в ней были невелики, величину индуктивности выбирают небольшой, а, соответственно, частоту повторения таких циклов делают достаточно высокой - десятки и сотни тысяч раз в секунду. Необходимо заметить, что при чрезмерно высокой частоте потери на переключение транзистора, используемого в качестве ключа, становятся весьма

существенными. Самое важное здесь то, что при надлежащем управлении вход такого преобразователя со стороны сети будет выглядеть как некоторое сопротивление (ток в каждый момент времени пропорционален напряжению), и в то же время на выходном конденсаторе будет поддерживаться некоторое постоянное напряжение, практически не зависящее от нагрузки и напряжения сети (!). При этом между напряжением в сети и током, отбираемым от нее, не будет ни сдвига фаз (cos j 1)*, ни нарушения пропорциональности.

Высокое напряжение на накопительном конденсаторе облегчает задачу обеспечения энергоемкости блока питания, поскольку содержание энергии в конденсаторе пропорционально квадрату напряжения, тогда как размеры и вес у конденсаторов равной емкости примерно пропорциональны напряжению. В результате конденсатор емкостью 2200 мкФ при напряжении 430В содержит больше 200 Дж энергии, а такой же конденсатор при напряжении 60В - всего около 4 Дж, или в 50 (!) раз меньше. Объем же у этих конденсаторов, отличается всего раз в шесть-восемь. Поэтому для достижения одинаковой энергоемкости при низких напряжениях требуются конденсаторы огромной емкости - более 100000 мкф в данном случае. В то же время для безупречной работы образцового высококачественного усилителя энергоемкость его блока питания должна быть не ниже 0,5…0,8 Дж на Вт суммарной выходной мощности, для концертных усилителей (кроме сабвуферных) вполне приемлемо 0,2…0,4 Дж на Вт. То есть усилитель 2х1000 Вт должен иметь энергоемкость блока питания как минимум 400 Дж, или 200000 мкФ на 60В, а желательно раза в три больше.

На практике же энергоемкость традиционных блоков питания у подавляющего большинства усилителей гораздо ниже, и причиной тому не только банальная экономия производителей на трансформаторах и конденсаторах. Не менее существенно то обстоятельство, что выпрямитель с конденсаторами большой емкости представляет собой цепь, нагружающую сеть только в короткие промежутки времени (во время "верхушек" синусоид), зато большими токами (см. рис. 2), где, кстати, видно, что форма сетевого напряжения сильно искажена такими выпрямителями). Причем, чем лучше трансформатор и выше емкость, тем сильнее выражено это явление. Включать подобный блок питания в сеть можно только при наличии устройств "мягкого" пуска, иначе будут сгорать предохранители. Далее, любой, даже небольшой скачок напряжения сети в сторону повышения вызывает резкий рост величины этих импульсов тока, что приводит к выходу выпрямителей из строя. Именно поэтому емкость конденсаторов (и, соответственно, энергоемкость блоков питания) в большинстве усилителей с традиционным блоком питания выбрана много меньшей, чем это необходимо для обеспечения надлежащего запаса мощности на низких частотах.

Взглянув на рис. 3, можно заметить еще два обстоятельства.

Первое - это то, что пиковый потребляемый ток оказывается в несколько раз выше, чем средний. Но полезная мощность определяется средним током, тогда как падение напряжения на проводах - пиковым. А он оказывается много больше среднего.

Второе обстоятельство - ток, потребляемый короткими импульсами, имеет высокую скорость изменения, и, соответственно создает больше помех.

Еще одна проблема возникает в трехфазных сетях. Из-за того, что фазы напряжений в трехфазной сети сдвинуты на время, значительно большее, чем длительность этих импульсов тока, они в нулевом проводе перестают компенсироваться. Более того, ток в нулевом проводе окажется примерно равным сумме фазных токов, тогда как в нормальной ситуации ток через него вообще не

должен течь, и нулевой провод обычно делают более тонким, чем фазные. Если учесть, что ток через него становится больше, чем через фазные, а также то, что установка предохранителей в нулевой провод запрещена, нетрудно догадаться, что тут недалеко и до пожара. Поэтому величина гармоник тока потребления ограничена достаточно жесткими международными стандартами. Традиционные блоки питания при мощности выше 150...200 Вт удовлетворить этим стандартам принципиально не в состоянии. Это приведет к тому, что при больших мощностях традиционные блоки питания просто-напросто оказываются "вне закона".

Всех этих проблем можно избежать, если со стороны сети блок питания будет выглядеть как чисто активное сопротивление, подобно утюгу или лампочке накаливания.

Именно так и работает блок питания с корректором коэффициента мощности. Исчезают проблемы, связанные с нестабильностью сети, а также появляется возможность обеспечить необходимую энергоемкость блока питания.

Становится совершенно очевидным - применение корректора коэффициента мощности является не только обязательным (с точки зрения закона), но и совершенно необходимым для "честной" работы профессиональных высококачественных усилителей.

* Небольшое дополнение: cos j и коэффициент мощности часто путают, хотя это не одно и то же. Cos j - это мера того, какая доля тока, протекающего в проводах, фактически уходит в нагрузку (и выполняет полезную работу), при этом как напряжение, так и ток полагаются строго синусоидальными. Если сдвига фаз нет, cos j = 1. Если сдвиг фаз достигает 90 градусов независимо от знака, cos j обращается в нуль - полезная мощность просто не передается в нагрузку.

Коэффициент мощности совпадает с cos j только в случае чисто синусоидальных токов и напряжений. Если же ток или напряжение несинусоидальны, применимым остается только коэффициент мощности, который показывает какая доля тока, прошедшего по проводам и нагревающего их, с пользой ушла в нагрузку. Коэффициент мощности обычного выпрямителя не превышает 0,25…0,3, тогда как у хорошего ККМ он составляет не менее 0,92…0,95, т.е. в 3-4 раза больше (вот откуда трех-четырехкратная разница!).

А теперь к нашим баранам…

Зачем он нам вообще нужен этот ККМ?

На человечьем языке, слабонервным и с научными степенями не читать

Немного об этих «пиках»:

Рисунок 1 - Пики в которых заряжается конденсатор

Кто такой этот ваш ККМ?

Схемотехника нашего ККМ

Теперь немного документации к описанному выше:
Даташит на L6561

Адаптация стандартной схемотехники под наши задачи

Немного о Cree FET

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

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

Силовой дроссель и его расчет

Рисунок 5 - Каркасы и сердечник для силовых моточных изделий

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

Итог по дросселю:

Что могу сказать - у нас растет монстр)))

Фильтр синфазных помех

Рисунок 7 - Принципиальная схема фильтра синфазных помех

Несколько особенностей:

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

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

Эпилог

Некоторое время назад мне задавали вопрос по поводу корректора коэффициента мощности импульсных блоков питания, попробую кратко рассказать что это такое и зачем надо.

Так уж сложилось, что в обычной жизненной ситуации вы скорее всего встретите корректор коэффициента мощности (ККМ) в блоке питания компьютера.
Нет, конечно они встречаются и в других блоках питания, даже чаще, чем в компьютерных. Но обычно это промышленные блоки питания и в быту попадаются крайне редко.
Думаю что большинство читателей моего блога и зрителей моего канала, как минимум немного ориентируются в радиоэлектронике, потому скорее всего видели компьютерный блок питания "изнутри".
Блок питания с активным корректором выглядит на первый взгляд почти также как и обычный.

Но если посмотреть внимательнее, то на "горячей" стороне можно заметить большой дроссель. Его магнитопровод может иметь разную форму, но чаще всего попадаются с кольцевыми, как и вариант на фото.
Кроме того подобные блоки питания отличаются еще и тем, что обычно в них установлен один фильтрующий конденсатор на 450-500 Вольт, а не два по 200-250. Обусловлено это тем, что часто такие блоки питания имеют широкий диапазон входного напряжения от 100-115 Вольт и переключение входного напряжения им не нужно.

Не стоит путать дроссель АККМ (активный корректор коэффициента мощности) с выходным дросселем групповой стабилизации, хотя внешне они весьма похожи. Отличие в том, что обычно дроссель корректора имеет только одну обмотку, а ДГС (дроссель групповой стабилизации), несколько.

Вообще корректор может быть не только активным, а и пассивным. В этом случае вы увидите на верхней крышке блока питания "железный" дроссель с парой проводов, внешне похожий на 50Гц трансформатор мощностью 10-20 Ватт.
Такой вариант также жизнеспособен, но заменить полноценный активный корректор он не может.

Теперь не много о том, зачем это вообще все надо. Думаю вы знаете, что ток в сети имеет форму синусоиды, действующее напряжение 220-230 Вольт (у нас), амплитудное - 310-320 Вольт. Не буду сейчас рассказывать чем отличается действующее от амплитудного, сделаю это в другой раз, но кто еще не видел, синусоида выглядит так, как показано на этом рисунке.

Дальше переменный ток выпрямляется и фильтруется конденсаторами. Чаще всего применяется такая схема, представляющая из себя диодный мост и пару (иногда один) конденсаторов.
Конечно там есть еще входной фильтр, предохранитель, но в данном случае они нас не касаются.

При нормальной напряжение на конденсаторах будет примерно 280-320 Вольт в зависимости от их емкости и мощности нагрузки, я об этом уже рассказывал в своем видео посвященному устройству блоков питания.
Но так как напряжение в сети по сути 100 раз в секунду меняется от нуля до 320 Вольт и опять до нуля, а в цепи есть диодный мост, то ток заряда конденсаторов фильтра течет не всегда, а только когда амплитудное напряжение превысит напряжение на конденсаторах.
При этом ток в цепи 220-230 Вольт будет выглядеть как показано вверху этой картинки. Получается, что блок питания потребляет энергию не постоянно, а только на пиках синусоиды. Если предположить, что БП потребляет в итоге энергию всего 20% времени, то ток в момент когда идет заряд конденсаторов, будет в 5 раз больше среднего тока потребления. Например ток 1 Ампер, мощность 220 Ватт, значит пики тока будут доходить до 5 Ампер.

Проблема эта вылезла "в полный рост" тогда, когда количество импульсных блоков питания превысило некую "критическую массу". В итоге было придумано довольно простое и эффективное решение. Кстати, в развитых странах все мощные блоки питания должны иметь корректор коэффициента мощности, но так как это недешево, то производители недорогих блоков питания на этом экономят в первую очередь.

Как я сказал, решение проблемы простое и по сути лежит на поверхности. А базой для этого решения является обычный степ-ап преобразователь напряжения. На схеме виден дроссель, транзистор, диод, ШИМ контроллер и конденсатор.
При открывании транзистора в дросселе накапливается энергия, которая при закрытии транзистора суммируется с входным напряжением и поступает в нагрузку, подзаряжая выходной конденсатор. Такая схема часто используется в повербанках для получения 5 Вольт из 3.7.

Но если скрестить обычный блок питания и эту схему, то мы получим активный корректор коэффициента мощности.
При этом важно то, что фильтрующий конденсатор после диодного моста не ставится, его роль выполняет конденсатор небольшой емкости, обычно 0.47-1.0мкФ, он нужен только для компенсации импульсного характера потребления корректора.

В итоге преобразователь пытается "высосать" из сети все что можно в диапазоне уже не 220-230 Вольт, а 40-80. Кстати, мощные блоки питания далеко не всегда могут работать в широком диапазоне, хотя и могут при этом содержать в своем составе АККМ. Просто в таких режимах корректору приходится тяжело и работу в широком диапазоне они не обеспечивают, хотя и продолжают корректно работать.

Здесь я попробовал наглядно показать разницу в работе обычного БП и БП с корректором.
Красным выделен вариант работы обычного блока питания, заштрихованная часть отображает зону, где есть потребление тока. Видно что зона довольно узкая, соответственно ток будет большим. Причем чем больше емкость конденсаторов фильтра, тем уже будет эта зона и тем ниже будет коэффициент мощности.
Синим и зеленым я показал пару вариантов работы активного корректора, один начинает работу примерно от 100 Вольт амплитудной составляющей, второй примерно от 50 Вольт. Видно что зона стала шире, соответственно ток пропорционально падает и растет коэффициент мощности.
В общем-то данная зона может начинаться почти от нуля, тогда коэффициент будет равен единице, но обычно он составляет 0.98-1, этого более чем достаточно.

Чем же чреват этот пресловутый коэффициент мощности.
Из-за пиков тока происходит кратковременная перегрузка сети, в следствие чего могут начаться проблемы в старых и изношенных сетях. Возможно отгорание нулевого провода в трехфазных сетях с совсем печальными последствиями.

А вот схема входной части компьютерного блока питания имеющего в своем составе активный корректор мощности, он выделен синим цветом.
Не удивляйтесь что на схеме нет ШИМ контроллера, который им управляет, часто он расположен на отдельной плате, а иногда интегрирован в общий ШИМ контроллер. Т.е. помимо одного-двух штатных каналов имеется еще и выход для управления транзистором корректора. Такой вариант удобен для производителя, но далеко не всегда удобен для ремонтника. В самом начале я показал фото блока питания, там как раз вышел из строя узел корректора, а так как микросхема управляет всем, то выгорела и она. Найти замену я не смог, потому Бп лежит мертвым грузом и возможно будет разобран на запчасти, тем более что они весьма неплохого качества.

Что же дает нам корректор, сначала преимущества:
1. Характер потребления почти такой же как у активной нагрузки, соответственно нет пиковых перегрузок.
2. Часто такие БП имеют расширенный диапазон входного напряжения и лучше работают в плохих электросетях.
3. Емкость фильтрующего конденсатора нужна меньше, так как паузы без тока меньше.
4. Инвертору блока питания легче работать, ведь по сути он питается стабилизированным напряжением.

Теперь недостатки.
1. Выше цена.
2. Меньше надежность
3. Могут быть сложности при работе с некоторыми моделями UPS.

Иногда идут споры, по поводу КПД таких блоков питания. Я придерживаюсь мнения, что КПД одинаков, так как хоть корректор и имеет собственное потребление, но основному инвертору работать легче, потому то на ото и выходит.

Ну и конечно же видео, в качестве дополнения. А я как всегда жду ваших вопросов как в комментариях здесь, так и под видео.