高調波歪みを低減するPFC回路の設計
はじめに
一般産業の電気料金は、家庭の電気料金よりもはるかに高くなります。技術的な観点から見ると、産業用電力の送電コストが高いのは、住宅用電気機器よりも力率 (PF) が低い高電力の誘導性負荷または容量性負荷が原因です。つまり、家庭用電力は一般的に消費電力が少なく、PFが高く無効電力損失が少ない中小規模の電力設備を使用しているため、安価になります。
本稿では、PFと全高調波歪み (THD) の概念を紹介します。次に、力率補正 (PFC) 回路とPFCコントローラを使用して、高いPFを実現し、高調波歪みを低減する方法を検討します。
交流における力率
PF (λ) は、有効電力 (P) と皮相電力 (S) の関係を表します。ここで、総消費電力は V x I に等しくなります。λはPとSの比率であり、式 (1) で推定されます。
$$\lambda = P / S$$無効電力 (Q)、S、およびPの関係は、式 (2) で計算できます。
$$S = \sqrt{P^2 + Q^2}$$PFは、電力が有効に利用されている程度を測定します。PF値が大きいほど、電力がより有効に利用されていることを意味します。
AC入力電力網では、式 (3) で推定される実際の動作波形に基づいてPFを特徴付けられます。
$$\lambda (PF) = \cos \varphi \times \frac {1}{\sqrt{1+\mathit{THD^2}}}$$PFに影響を与える主な2つの要因は、cos (φ) とTHDです。図1に入力交流電圧波形と負荷電流波形の位相差 (φ) を示します。
図1 : 入力AC電圧波形と負荷電流波形の位相差
全高調波歪みは、高調波によって引き起こされる入力電流歪みの程度を指します。図2は、入力AC電圧と負荷電流の間のTHDを示しています (図2参照)。
図2 : 入力AC電圧と負荷電流間のTHD
歪みは、式(4)で計算できます
$$Distortion : \frac {1}{\sqrt{1+\mathit{THD^2}}}$$AC電力網では、高調波は基本波に関連しています。非線形負荷に適用される周波数50Hzで220VACの正弦波電圧を考えてみましょう。フーリエ級数を使用すると、歪んだ入力電流波形は各高調波成分の合計で構成されます。THDは、2次高調波成分のRMS値と基本波成分のRMS値の2乗と根に相当します。
図3は、歪んだ入力電流波形の全高調波歪みを計算したものです。
図3 : 全高調波歪みの計算
歪みの程度が大きいほど、THD値は大きくなり、PF値は小さくなります。電力消費の効率を改善するために、IEC61000-3-2やEN61000-3-2 など、さまざまな電気機器の高調波電流要件に関する国際規格が開発されてきました。
回路を使用して高力率補正 (PFC) を実現する
図4は、力率補正なしの一般的な回路図を示しています。負荷機器に電力を直接供給する整流器ブリッジの後には、容量性フィルタリングのみが存在します。これにより、入力電流の導通角が非常に小さくなり、PFが低下します。したがって、得られる入力電流はひどく歪んだ波形になります。
図4 : 力率補正なしの回路図
図5 : 力率補正なしの回路図の電圧および電流波形
現在のAC/DC電源では、PFC回路には主にアクティブPFC (PFC) 回路が使われています。PFC回路は、インダクタ、コンデンサ、および半導体スイッチングデバイスで構成されます。サイズが小さく、正弦波電圧波形の変化に基づいて電流を制御する特殊なICを使用しています。電流正弦波の程度は高く、PFは0.99に達する可能性があり、これは最適値の1に非常に近い値です。
図6は、高周波スイッチを介して誘導電流波形を制御する典型的な昇圧PFC回路を示しています。
図6 : 昇圧APFC回路図
図7に昇圧PFC回路から得られる入力電流波形と電圧波形を示します。
図7 : 昇圧APFC回路の入力電流波形と電圧波形
入力電流の正弦波を実現するために、図8に一般的な昇圧PFC回路の例を示します。L1、D4、Q1、およびC6 (赤い点線のボックス内) は、昇圧APFC回路の主電源を形成します。一方、FBは出力電圧 (VOUT) フィードバック、MULTは入力正弦波位相トラッキング、CSはインダクタンス電流サンプリング信号です。
図8 : APFC回路を昇圧して入力電流の正弦波を達成する
スイッチング・サイクルでは、VOUTはFBを介して検出され、誤差増幅後に得られたCOMP値をMULTピン信号と乗算して、正弦波基準値を導き出します。次に、基準値が定期的にインダクタ電流サンプリング信号と比較され、MOSFETスイッチのシャットダウン・ロジックが完了します。
昇圧インダクタンス電流が0Aに低下したことをZCSピンが検出した後、MOSFETスイッチのスタートアップ・ロジックが引き起こされ、スイッチング・サイクルが完了します。さらに、C1コンデンサは誘導電流をスムーズにフィルタリングして、入力電流波形をより正弦波状にし、より滑らかにします。これによりPFが補正され、1に近い高いPF値が得られます。
PFC回路は、300W以内の電源の設計でよく見られる典型的な臨界電流制御モードを使用します。高電力アプリケーションの場合、連続導通モード (CCM) PFC回路を選択します。軽負荷時の効率が必要な場合、不連続導通モード (DCM) を増やすと、スイッチング損失とEMIを改善しながら動作周波数を効果的に下げることができます。
結論
本稿では、PFとTHDの関係について説明し、昇圧PFC回路を使用して高いPF値を獲得しました。電源設計にPFC回路を統合することで、全高調波歪みが最小限に抑えられ、電力利用率が向上し、全体的な電源コストの削減につながります。
MPSは、PFCコントローラの選択肢を与え、高調波電流の要件を満たし、電力品質を向上します。これらのPFCコントローラは、独自のパッケージ技術と高効率を備えた統合設計を提供します。
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