Návrh a optimalizace aktivních korektorů účiníku

Ing. Jan MOLDASCHL

Doctoral thesis

Abstract:

A massive using of switched mode power supplies causes a high harmonic pollution of the line current. The distortion is significant due to a non-linear behaviour of the rectifying diodes and bulky input capacitor of SMPSs. The behaviour causes short spikes of the line current, which produces as a consequence low power factor. Therefore, the power factor correction is gaining importance in the recent two decades. Using power factor correctors are very likely to happen in the future due to a tightening of the international standards. This dissertation is devoted to design, optimization, and the evaluation of active power factor correctors. Generally, a principle of correctors lies in the storing and releasing of the excessive energy during line cycles. If the load has a pure resistive character, the output power will be a constant. Contrary to this, the input power oscillates with double frequency from zero to maximum power. An average value of the instantaneous input power equals the output power. Passive power factor correctors are able to absorb the excessive energy and release it at a suitable time. Active power factor correctors use a similar principle but they are able to compensate a full range of the input voltage due to the features of the boost converter. Thanks to these features the power factor can be corrected up to 0.999. Unfortunately, the high switching frequencies lead to an enhancement of the electromagnetic emission. Active correctors reduce the harmonic pollution at the cost of the increasing conductive interference. However, interferences shall be reduced by additional EMI filter. This doctoral thesis explores several types of the correctors for the evaluation purposes. Each prototype is characterized by different features. The main targets of the work are the comprehensive overview of the topologies and control techniques including methods for improvements of the correctors. The improvements include SiC Schottky diode, frequency dithering, and power management. The evaluation of the prototypes gives valuable information about the performance and costs. All prototypes are compared with each other and their benefits are summed up in the conclusion.

Abstract:

V současné době způsobuje masivní používání spínaných zdrojů harmonické znečištění síťového proudu. Zkreslení je významné z důvodu nelineárního chování usměrňovacích diod a velkého filtračního kondenzátoru na vstupu spínaného zdroje. Toto chování způsobuje úzké impulsy síťového proudu, které jsou příčinou nízkého účiníku. Proto se korekce účiníku stává důležitou především v posledních desetiletích. Lze předpokládat, že korektory účiníku budou v budoucnu využívány velmi často, kvůli zpřísňování mezinárodních norem. Tato dizertační práce se věnuje návrhu, optimalizaci a hodnocení aktivních korektorů účiníku. Obecně princip korektoru spočívá v ukládání a uvolňování nadměrné energie během cyklů sítě. Pokud má zátěž čistě rezistivní charakter, výstupní výkon bude konstantní. Naopak vstupní výkon osciluje s dvojnásobnou frekvencí sítě od nuly do maxima. Platí, že průměrná hodnota okamžitého vstupního výkonu se rovná hodnotě výstupního výkonu. Pasivní korektory účiníku jsou schopné absorbovat nadbytečnou energii a uvolnit ji ve správný čas. Aktivní korektory účiníku využívají podobný princip, ale jsou schopné kompenzovat účiník v celém rozsahu vstupního napětí kvůli vlastnostem Boost konvertoru. Díky těmto vlastnostem může být účiník korigován až na hodnotu 0,999. Bohužel, vysoké spínací frekvence vedou k nárůstu emisí elektromagnetického pole. Aktivní korektory účiníku snížují úroveň harmonického znečištění za cenu nárůstu elektromagnetických interferencí. Nicméně interference mohou být redukovány pomocí dodatečného EMI filtru. Dizertační práce zkoumá několik typů korektorů pro účely evaluace. Každý prototyp je charakterizován různými vlastnostmi. Hlavním cílem práce je komplexní přehled topologií a řídících technik zahrnujících metody pro vylepšení korektorů. Tato vylepšení zahrnují SiC Schottkyho diody, rozmítání spínací frekvence a řízení výkonu. Evaluace prototypů dává hodnotnou informaci o výkonosti a nákladech. Všechny prototypy jsou porovnány mezi sebou a přínosy jsou shrnuty v závěru práce.

Keywords

Korekce účiníku, korektory účiníku, aktivní korektory účiníku, pasivní korektory účiníku, korektory s prokládáním pracovních cyklů, řízení výkonu pro korektory s prokládáním pracovních cyklů, řízení výkonu pro vícefázové korektory, SiC Schottkyho diody, účiník, rozmítání spínací frekvence, bezmůstkový korektor účiníku, Boost korektor, PFC, APFC, korektor účiníku s nízkým profilem, vícefázový korektor účiníku

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 5. 2018

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

University of West Bohemia

Faculty of Electrical Engineering

Doctoral programme / field:
Electrical Engineering and Informatics / Electronics