Анатомия OnLine стабилизаторов

Как работают входной PFC и шина DC

Стабилизаторы двойного преобразования — это «высший пилотаж» в мире защиты электропитания. Их базовый принцип известен многим: входящий переменный ток превращается в постоянный (AC/DC), а затем из этого постоянного тока выходной инвертор заново генерирует идеальную синусоиду (DC/AC).

Однако самое интересное и сложное происходит на первом этапе — в узле выпрямителя и активного корректора коэффициента мощности (PFC). Давайте разберем, как инженерам удается одновременно решать две противоположные задачи: не портить электросеть и обеспечивать стабильное питание для инвертора.

1. Зачем нужно «подтягивать» коэффициент мощности к единице?

Если собрать классический выпрямитель из диодного моста и сглаживающего конденсатора, возникнет проблема. Конденсатор заряжается только тогда, когда входное синусоидальное напряжение превышает напряжение на самом конденсаторе. Из-за этого стабилизатор начинает потреблять ток из сети не плавно, а короткими, мощными импульсами на пиках синусоиды.

К чему это приводит:

• Низкий коэффициент мощности (КМ) = 0.65–0.7: Сеть нагружается так называемой реактивной мощностью. Ток течет большой, а полезная работа совершается меньшая.
• Искажение синусоиды сети: Импульсный ток «просаживает» вершины напряжения в розетке, из-за чего страдают другие приборы, подключенные по соседству.
• Перегрев проводки: Из-за высоких пиковых токов греются провода и трансформаторы на подстанции.

Решение: На входе стабилизатора ставят Активный корректор КМ (APFC). Его задача — сделать так, чтобы для внешней сети стабилизатор выглядел как обычная активная нагрузка, например, как ТЭН или лампочка накаливания. То есть, чтобы потребляемый ток был идеально синусоидальным и полностью совпадал по фазе с напряжением. В этом случае коэффициент мощности поднимается до идеальных 0.99.
Упрощенная схема Активного корректора КМ, совмещенного с преобразователем напряжения показана на Рис.1 ниже.

Рис. 1

2. Как работает «подтягивание» тока и стабилизация шины DC

Для реализации APFC используется схема повышающего импульсного преобразователя Boost Converter, включенная сразу после диодного моста. Она состоит из четырех главных элементов:

1. Входной дроссель L1 на рис.1 (высокочастотная индуктивность).
2. Электронный ключ VT1 (обычно, быстрый IGBT- или MOSFET- транзистор).
3. Блокирующий диод (VD5, VD6).
4. Выходные накопительные конденсаторы (C1, C2).

Управляет всем этим высокоскоростной микроконтроллер ШИМ (широтно-импульсной модуляции), который работает на частотах в десятки килогерц (30–100кГц).

Двойное действие ШИМ-контроллера

Контроллер непрерывно отслеживает два параметра: форму входного напряжения и уровень напряжения на шине DC. На основе этого он управляет временем открытия и закрытия транзисторного ключа, решая одновременно две задачи:

• Формирование синусоиды тока PFC: Когда транзистор замыкается, ток начинает течь через дроссель на «землю», запасая энергию в магнитном поле дросселя. Контроллер подбирает время замкнутого состояния ключа так, чтобы среднее значение этого тока в каждый момент времени было строго пропорционально мгновенному значению входного напряжения. Входное напряжение (1 на рис. 2) растет — импульсы тока (2) становятся шире, падает — уже. В итоге, из сети плавно «вытягивается» идеальная синусоида тока (3).

                                                                   Рис. 2

• Преобразование и подъем напряжения в шине DC: В момент, когда транзистор размыкается, току из дросселя деваться некуда — он «выстреливает» через блокирующий диод прямо в конденсаторы шины DC. Энергия самоиндукции дросселя суммируется с входным напряжением.

3. Результат: Идеальные условия для инвертора

Благодаря такому алгоритму, на конденсаторах шины DC формируется высокое постоянное напряжение (обычно в районе 400 В постоянного тока для однофазных систем).

Самое прекрасное здесь то, что обратная связь по напряжению работает мгновенно. Если входное напряжение в розетке упало, например, до 140 Вольт, контроллер APFC просто заставит транзистор открываться на чуть более долгое время. Дроссель запасет больше энергии, и на шине DC всё равно останутся те самые стабильные 400 В.

Почему это важно для инвертора:

Выходной инвертор, который стоит дальше по схеме, получает «чистый холст» — абсолютно стабильное, высокое постоянное напряжение без пульсаций и просадок. Из такого напряжения с помощью ШИМ-модуляции невероятно легко нарезать идеальный выходной синус 220 В / 230 В с частотой 50 Гц. Инвертору вообще не нужно подстраиваться под прыжки напряжения в электросети — за него всю «грязную работу» уже сделал входной каскад APFC.

Данный принцип работы используется в работе стабилизаторов с двойным преобразованием под брендом компании «Энергия».