【经验】Vincotech多种交错式PFC模块解决方案提高电机效率

全球变暖，碳足迹和能源效率正在日益成为工业制造业的影响因素。随着能源成本不断上升导致间接成本增加，通过减少电量来更有效地使用电能，是解决这场危机的重要基础。

仅在美国，就有超过4000万台电动机被用于制造业。电动机占工业电能消耗的65%到70%，约占全球所有电能消耗的57%。据估计，全球每年消耗的电能超过1.6万太瓦时(TWh)，即使节省了其中的几个百分点，也相当于每年节省电能数百万亿瓦时。

提高电机效率，更加高效的利用电能成为解决能源危机的良药。目前使用的普通电机在将电能转化为机械能方面具有88%的效率。即使是一种符合标准的高效电机，在最优的工作条件(即全线路电压)下，也只能减少不超过10%的能耗。工业电机用户发现，通过使用电子速度控制（即基于逆变器）可以实现进一步的节能，这可以将能耗减少30％，机械能减少60％。驱动器能够通过控制电机速度来管理电机的运行，从而可以降低输出功率。因此，管理电机功耗可以通过管理电机速度，斜坡和扭矩来实现。

通过使用功率因数控制（即PFC）使电机驱动应用的能量效率达到最大化，这是当前电子设计人员的一个目标。利用电子驱动器来调节电机的输出速度，满足所需的机械负载，在功率因数控制下，通过校正所使用的异相电压和异相电流来提高驱动器的效率。当负载是纯电阻时，PF=1（最大值），电压和电流都彼此完全同相；当负载是感应电阻时，PF<1，电压和电流异相；由于电机输入端的电压是固定的，通过增加电流补偿相移来提供所需的机械功率。因此，功率不能被完全利用起来，这就浪费了能量。这种情况不仅使运行成本更高，而且会影响基础设施成本，因为必须使用更大功率电机和更大型的断路器，然后电机产生更多的热量，使电机的运行寿命缩短。因此，在驱动器中实施功率因数设计将产生更少的能耗、更低的实现成本(尺寸、机械、布线、安全)、更大的灵活性(速度)和更长的电机寿命。

在许多驱动应用中使用的经典功率因数控制（即PFC）电路一直是单升压拓扑。单升压PFC需要一个升压电感和功率开关。然而，在高功率电机应用中（即3HP或更大），升压电感器变得相当大。此外，由于使用了大量铜，这种较大的线圈增加了损耗，体积大，成本高。

近年来，交错式功率因数在驱动领域得到了越来越多的关注，交错式PFC具有两个并联的升压环节，相位相差180°，这就需要使用更小的升压电感器，且需要反馈控制。这种独特的技术降低了输入和输出纹波电流，而较低的纹波电流将减少总电感器升压量和EMI滤波器的尺寸，因此使整体系统成本降低。

除了以上列出的交错式PFC相对于单升压PFC的优势外，还有以下几个方面的优势。

1、在连接电容方面。根据电机允许的纹波电流，单升压电感器将需要大量的电解电容来平滑PFC的输出。与单级拓扑相比，交错式PFC的高频输出电容电流要求大约要低50％。这种电流的减少可以使升压电容器的体积减少25％。

2、在电路设计复杂性方面。单升压PFC电路由多种控制器支持，集成电路供应商通过集成功能到控制器中来减少支持电路(即分立元件)的数量，从而实现了先进的设计。以前，设计一个交错式PFC电路是相当复杂的，需要大量的模拟电路。然而，德州仪器使用他们的UC28070控制器使得这种拓扑设计更简单。虽然单升压PFC需要更多的支持分立元件，但是两个异相升压电路是相同的，简化了设计。

3、在驱动器效率方面。单升压和交错都将在±10％输入电压范围内提高驱动器的效率。德州仪器的UCC28070交错式控制器在轻负载条件下关闭其中一个交错式相位，进入单相运行模式，可以提高轻负载条件下的效率。

4、在功率密度和尺寸方面。升压电感的尺寸和体积的减小，以及更低的电解电容要求，使得交错式PFC在驱动器的功率密度和尺寸方面都优于单升压PFC。因此，将驱动器和电动机集成为一个单元在技术上是可行的。

图1 UCC28070交错式控制器在提高驱动器效率上的应用

功率模块解决方案

VINCOTECH是一家领先的IGBT和Mosfet功率模块制造商，拥有多种PFC模块解决方案供电机驱动设计人员选择，用于单相升压或者交错。对于这两种功率开关技术，设计人员在基于性能考虑选择模块时可以选择碳化硅升压二极管，在基于成本考虑选择模块时可以选择Stealth二极管。功率开关和二极管组合的选择将基于设计者对开关频率，损耗和成本的要求。

基于成本考虑，许多设计人员使用低成本的分立式封装功率开关，并忽略了使用模块化解决方案的优势。Vincotech推出的功率模块具有非常低的电感和极其紧密的电流回路，可以将电噪声的影响降至最低，可以使用较少噪声分量来抵消电噪声的影响。模块经过了组装和完整的一致性测试，可提供比多点对点离散连接可靠性更高的组件。使用Vincotech的flowSIM仿真器，设计人员可以确定给定驱动应用的精确损耗，芯片温度和其他电气特性。Vincotech认证的每个组件都具有在各种电气测试条件下进行的大量实际测量，这为数据库模拟器中使用的每个组件生成了非常精确的模型。因此，为应用的电气参数选择的任何Vincotech模块的结果都符合实际结果。这节省了设计时间和评估工作。最后，由于在PCB中使用单个元件（相对于许多分立元件），因此组装变得更容易，设计时间也变得更短，提高了可靠性。因此，Vincotech模块化解决方案比分立解决方案有低得多的“总拥有成本”。

对于单升压PFC，Vincotech为设计人员提供二极管桥（D30）或1/2控制浪涌SCR（D40）前端以及500V CoolMOS功率开关，为这些应用提供了V2390-P802模块以供选择。

对于交错式PFC，基于小尺寸和低损耗考虑时，采用CoolMOS CP和SiC升压二极管的PFC模块将是最佳解决方案。如果设计人员需要通过使用高开关频率来保持较小的磁性和电容，可以采用FZ062TA99FH-P980D18模块，它能使开关频率切换到200KHz。基于成本考虑时，可以采用IGBT+Stealth二极管技术的FZ062TA030FB-P983D18。与单升压型一样，交错式也可以指定全二极管桥或1/2控制SCR。

如果设计者希望采用更集成的方法，如将六组变频器和PFC解决方案结合在一起，Vincotech有广泛的模块类型来满足这些类型的应用。PIM[PIM(C+PFC)，即P37x系列]采用低成本但坚固耐用的flow0封装，它将满足性能和成本的双重考虑，适用于2HP-3HP范围内的单升压PFC应用。

随着工业市场淘汰老式低效电机的趋势，新设备制造商希望采用更好的变速电机，因此高效驱动器将成为解决方案。提供功率因数控制的电机驱动制造商将能够与OEM客户合作，以满足节能、低安装成本和灵活性的需求。