Пришло время определиться со схемой блока управления ККМ. Основной вопрос: на базе какого PFC-контроллера реализовать управление силовой частью, описанной в предыдущей 9-ой части. Если отбросить различные экзотические варианты типа ADP1047/ADP1048 или FPDB60PH60B, то остается не много вариантов контроллеров, подходящих для наших целей. Причем все они практически представляют собой все ту же известную UC3854A/B с несущественными вариациями. Но среди этих контроллеров обнаружился любопытный экземпляр от фирмы Infineon, а именно ICE3PCS01G. Решающим фактором, определившим выбор именно этого контроллера стала фраза в даташите: In this digital PFC, a notch filter is used to remove the ripple of the sensed output voltage while keeping the rest of the signal almost uninfluenced. In this way, an accurate and fast output voltage regulation without influence of the output voltage ripple is achieved.
На нашем языке это звучит примерно так: "В данном цифровом контроллере коэффициента мощности используется Notch-фильтр (полосно-заграждающий) для удаления пульсаций выходного напряжения, при этом остальной сигнал, подаваемый на вход Vsense остается почти без изменений. Таким образом достигается большая скорость регулирования выходного напряжения и исключается влияние пульсаций выходного напряжения с частотой 100Гц".
То есть, напряжение Vout, поданное на вход усилителя ошибки по выходному напряжению Vsense с соответствующего резистивного делителя преобразуется в цифровой вид, корректируется его ФЧХ/АЧХ, производится фильтрация второй гармоники сетевой частоты, усиливается и после этого подается на перемножитель. За счет снижения второй гармоники сетевого напряжения появляется возможность расширить полосу пропускания усилителя ошибки и увеличить (если нужно) коэффициент его усиления. Коррекция АЧХ усилителя ошибки по выходному напряжению производится внутри микросхемы и разработчику не нужно заниматься расчетом этих корректирующих цепей.
В результате всего сказанного и на основе технических материалов производителя был разработан блок управления силовой частью ККМ на контроллере ICE3PCS01G, схема которого приведена на рис.1. Посмотрим, насколько Notch-фильтр исправляет "проблему второй гармоники".
В первую очередь необходимо пояснить появление на схеме датчика тока на эффекте холла CSNB-131 Honeywell. Первоначально в Части 9 "Силовая часть" закладывался резистивный датчик тока, но при расчете его номинала под конкретно ICE3PCS01G получилось, что требуется шунт с сопротивлением 4,4 мОма [1], [2]. При таком значении ограничение амплитудного значения потребляемого от сети тока наступит при 45А. Ближайший подходящий стандартный шунт из линейки 75ШСМ - это шунт на 20А с сопротивлением 3,75 мОма, что мало. В примере ККМ на 2,5 кВт от Infineon [3] используется шунт марки FCSL110 (5W, 5mOhm). такой шунт можно было бы попробовать, но негуманная цена делает такой вариант неинтересным. Возможно изготовление шунта с нужным нестандартным сопротивлением "в рукопашную", но нет желания этим заниматься. В то же время имеется в наличии датчик тока CSNB-131, доставшийся от неисправного UPS-a на 3 кВт, грешно им не воспользоваться. К тому же такой вариант позволяет легко изменять максимальный потребляемый ток по сети изменением резистора Rs2 или Rs3*. "Звездочкой" отмечены элементы, которые могут потребовать подбора при отладке либо необязательные. Расчетное значение Rs2 составило 8,9 Ом, взят ближайший стандартный номинал 9,1 Ом и добавлен Rs3 для подстройки. При напряжении менее -0,2В (другими словами, более 0,2В по модулю) на входе Isense включается потактовое ограничение тока коллектора силового транзистора. Элементы Rcs, VD1, Ccs - по аналогии с демо-платой из [3]. В настоящем тексте сохранены обозначения пассивных элементов схемы в соответствие с техдокументацией производителя.
Вход BOFO не используется, подключен к Vref. Вход BOFO может использоваться для дополнительного управления контроллером при низком входном напряжении и слабой нагрузке. Если на входе BOFO напряжение меньше 0,5В, то контроллер считает, что на выходе "мало нагрузки". Если на входе ВОР меньше 2,3В, то контроллер считает, что на входе низкое напряжение. Если оба эти события происходят одновременно, то на входе Vsense внутри контроллера будет подключен дополнительный внутренний источник тока 20 мкА и этот ток потечет через резисторы Rdvs9, 10 и создаст дополнительное падение напряжения на них. Таким образом, выбирая нужный номинал Rdvs9, 10 можно снизить Vout. Это нужно будет учитывать при расчете всех резисторов, подключенных ко входу Vsense при использовании BOFO.
Емкость Cisense имеет рекомендованную величину.
Частотозадающий резистор 110 Ком выбран по графику в документации и соответствует частоте преобразования 40 кГц.
Выход VB_OK (Voltage Bulk, напряжение на выходном конденсаторе ККМ) подключен к ключу VT1, управляющим реле, которое замыкает токоограничивающий резистор на входе ККМ (ограничивает ток зарядки выходных конденсаторов), ключ VT2 управляет светодиодом VD2, устанавливаемом на печатной плате и служащим индикатором состояния контроллера для удобства. Не обязателен. На выходе VB_OK устанавливается +5 Вольт при условии: напряжение на выходе ККМ достигло достаточной величины, которая определяется напряжением на входе VBTHL_EN с помощью делителя Rvb1, Rvb2.
Напряжению на выходном конденсаторе Vout=Vout nominal=390V соответствует напряжение 2,5 В на входе VBTHL_EN. Задают на входе VBTHL_EN обычно напряжение несколько меньше 2,5В. Когда на входе Vsense напряжение станет больше, чем на VBTHL_EN, на выходе VB_OK установится высокий уровень +5В.
Вход VBTHL_EN имеет также назначение блокировки контроллера. При напряжении на нем менее 0,5 В контроллер перейдет в режим Shutdown. При восстановлении напряжения на VBTHL_EN>0,5В происходит мягкий рестарт (Soft Restart) контроллера и, соответственно, всего ККМ. Мягкий рестарт происходит и по другим событиям, о которых будет сказано ниже.
У входя VBTHL_EN есть еще и третья функция. По величине "эквивалентного сопротивления" резисторов Rvb1 и Rvb2 контроллер решает как ему действовать в случае, когда на входе OVP (pin 10) напряжение превысило 2,5В, то есть выходное напряжение достигло критического аварийного уровня. Если "эквивалентное сопротивление" меньше 100 Ком, тогда контроллер производит мягкий рестарт после снижения напряжения на входе OVP до нормального уровня. Если "эквивалентное сопротивление" больше 100 Ком, тогда контроллер переходит в Latch-режим, то есть выключается без автоматического возврата в рабочее состояние. Возврат производится по питанию - отключить/включить. "эквивалентное сопротивление" равно сопротивлению параллельно включенных Rvb1 и Rvb2.
В реализации на рис. 1 выбран режим мягкого рестарта. Выбор предельного выходного напряжения, при достижении которого срабатывает OVP производится с помощью делителя Rvds1 - Rvds5. Подстроечные резисторы после отладки желательно заменить на постоянные с точки зрения надежности.
Вход BOP (Broun out Protection) мониторит состояние питающей сети. Если на этом входе напряжение снижается до 1,0 В, то контроллер переходит в Standby-режим, который сменяется мягким стартом при возврате напряжения на ВОР до уровня "более 1,25 В". Таким способом реализован запрет работы ККМ при снижении напряжения питающей сети ниже допустимого. В схеме на рис.1 выбрано минимальное напряжение сети 176В.
Вход Vsense - вход усилителя ошибки по выходному напряжению, пороговое напряжение 2,5В.
Вход Vcc - напряжение питания от внешнего источника. Диапазон допустимых значений Operating Range от UVLO=11В до 25В.
Выход GATE - к затвору MOSFET либо IGBT-транзистора. Напряжение на этом выходе ограничено на уровне 15В.
При первоначальном включении ККМ запуск состоится при условиях, что BOP>1,25V, Vsense>0,5V, Vcc>12V, VBTHL_EN>0,5V. После успешного запуска и достижения напряжением на выходе ККМ заданного уровня (определяется напряжением на входе VBTHL_EN), на выходе VB_OK установится уровень +5В, ККМ перейдет в нормальный режим работы.
Следует отметить, что в даташите на контроллер отсутствуют внятные рекомендации по выбору номиналов следующих элементов: Cfr, Csense, Rcs, Rdrv.
В высоковольтных резистивных делителях для повышения надежности включено последовательно несколько резисторов, планируется использовать типоразмер "1206".
У контроллера установлено и не подстраивается минимальное время выключенного состояния силового транзистора. Это время равно примерно 0,6 мкСек.
Снижение напряжения на входе Vsense ниже 0,5В рассматривается контроллером как перегрузка по выходу.
Для завершения разработки принципиальной электрической схемы осталось проработать подходящий вариант блока питания, обеспечивающего питание PFC-контроллера, вентилятора охлаждения, пускового реле и драйвера. А также предусмотреть тепловую защиту "горячих" элементов ККМ от перегрева.
Литература.
1. Standalone Power Factor Correction (PFC) Controller in Continuous
Conduction Mode (CCM) Infineon ICE3PCS01G. 2017. http://www.infineon.com.
2. Design Guide for Boost Type CCM PFC with ICE3PCSxx. http://www.infineon.com
3. 2.5 kW PFC evaluation board with CCM PFC Controller ICE3PCS01G. http://www.infineon.com.