Fırat DEVECİ

Power Factor Correction: Part 1

  • 4 sene önce, Fırat DEVECİ tarafından yazılmıştır.
  • 7 Yorum
  • 7.228 Kişi Okudu

PFC LogoSon yıllarda değişen standartlar ve enerjinin verimli kullanımı gereklilikleri ile birlikte güç faktörü düzeltme konusu oldukça önem kazanmıştır. Başlarda, yüksek enerji kullanımının gerçekleştiği sanayi ve türevi işletmeler için olmazsa olmazlardan olan PFC, şimdilerde değişen ve yaygınlaşan teknolojiler ile (bilgisayarlar, led sürücüler, motor kontrol uygulamaları, kaynak makineleri, UPS’ler vb.) en alt kullanıcılar için dahi gerekli hale gelmiştir.

İki bölüm sürecek bu yazı dizisinde; PFC’nin tanımını yapıp, PFC için kullanılan topolojileri inceleyerek, gerekli hesaplamalar ile güç elektroniği uygulamalarında beğenerek kullandığım PSIM programını kullanarak örnek bir uygulama yapacağız.

Power Factor (Güç Faktörü) Tam Olarak Nedir?
Power factor yani güç faktörü, matematiksel bir ifade olarak gerçek güç ile görünür güç arasındaki açı değeri olarak belirtilir. Gerçek dünyada ise basitçe anlatmak gerekirse aşağıdaki at ve vagon örneği güzel bir benzetme olacaktır.PFC with HorseÖrnekte vagona, at tarafından, aşağı ve ileri olmak üzere iki kuvvet uygulanır, toplam kuvvet bu ikisinin karelerinin toplamının karekökü olmakla birlikte, vagonu hareket ettiren asıl kuvvetin yatay bileşen olduğu açıkça görülmektedir. Dik uygulanan kuvvet ise, işe dönüşmeyip, toplam kuvveti arttırarak, atın daha fazla kuvvet yaratması gereğini ortaya çıkarır.

Elektriksel olarak da benzer kanunlar geçerlidir; asıl işin yapılmasını sağlayan güç değerine gerçek güç (real power: P) denir, bu motor için milden alınan kuvvet, bir direnç için ise ısı miktarı olarak tanımlanabilir. Reaktif güç ise (reactive power: Q), gerçek gücün yapılabilmesi için gerekli manyetik ya da elektriksel alanların oluşumu için harcanan enerjidir. Örneğin, motorun dönmesi için gerekli manyetik alanın oluşabilmesi için gerekli enerji bu tip güç için örnek gösterilebilir. Bu iki enerji arasındaki toplam ise görünür güç (Total Power: S) olarak adlandırılır ve enerji üreten firmalardan aldığımız enerjiyi temsil eder.Power Factor TriangleYukarıda bu güçlerle ilgili bağıntılar görülebilir.

Standartlar Nedir?
IEC ya da EN 61000-3-2, Dünya ve Avrupa Birliği tarafından kabul görmüş standart olarak karşımıza çıkmaktadır. Şu an için 2013 ve 2014 sürümleri yürürlülüktedir. Bu standartlar ile P.F. ve 40. akım harmoniğine kadar akım genlik değerleri, çeşitli cihaz sınıflarına göre limitlenmiştir.

SMPS’ler ve P.F. Arasındaki İlişki
Günümüzde, ticari anlamda sıkça kullanılan SMPS’ler genellikle DC/DC dönüştürücü metotları kullanılarak çalıştıklarından, aşağıdaki yapıya benzer, köprü diyotlardan sonra büyük bir kapasite kullanımı zorunlu hale gelmektedir. Bu kapasite hem DC sinyalin oluşturulup hem de hold-up zamanında SMPS’in çalışmasını sağladığından değeri kritiktir.SMPS with CAPHer ne kadar büyük değerlikli kapasite kullanarak sinyalin DC’ye bir o kadar yaklaşmasını sağlamak mümkünse de bu, özellikle kapasite şarj süresini kısaltacağından, kapasitenin şarjı için gerekli peak akım değerlerini büyütmektedir.Input Cap CurrentYukarıda, kapasitenin üzerindeki gerilim dalgalanması ile girişten çekilen akım şekli (kırmızı ile) gözükmektedir. Akımın peak değerini, giriş kapasite değeri belirler ve kapasite değeri arttıkça bu değer de artar. Burada dikkat edilmesi gereken en önemli konu, köprü diyoda zarar vermeyecek peak akımın seçilmesidir. Uygulamalarda gerilim dalgalanmasının, toplam gerilim seviyesinin %10-15 civarında tutulması, uygun kapasite seçimi için ideal sonuçlar doğurmaktadır.

Yukarıdaki gerilim ve akım şekilleri incelendiğinde iki sonuca varılabilir; bunlardan ilki faz açısından kaynaklı güç faktörü kayıklığı oluşması ve diğeri, akım şeklinden dolayı harmonik bileşenlerin genliklerinin büyümesidir. Bu iki sorunu aşmak için güç faktörü düzeltici yani PFC devrelerine ihtiyaç duyulur.

PFC’nin Kalbi: Boost Converter
Giriş akım şeklinin sinüse yaklaştırılması için kullanılan topolojilerin başında, maliyet açısından düşük, kontrol açısından kolay olan boost converter topolojisi yer almaktadır.PFC Boost ConverterTopoloji incelendiğinde iki önemli sonuç dikkat çekmektedir; bunlardan ilki çıkış geriliminin her koşulda giriş geriliminden daha yüksek olması ve bobin üzerindeki akım şeklinin köprü diyot sonundaki gerilim şeklini izlemesi gerektiğidir.

Yukarıdaki şekilde tasarlanmış PFC devreleri bobin üzerindeki akım şekline göre iki modda çalışırlar; DCM ve CCM. DCM’de çalışan PFC’ler ise salt DCM ya da critical conduction ya da boundary mode adı altında ikiye ayrılırlar.

a) Continuous Conduction Mode PFC
CCM çalışan PFC’nin kritik noktası bobin akımının sürekli olarak akmasıdır. Peak akımların düşük olmasından dolayı özellikle güçlerin çok yüksek olduğu devrelerde tercih nedeni olmaktadırlar.CCM PFCYukarıda peak (turuncu), bobin (kırmızı) ve ortalama akım değerleri (mavi) görülebilir. CCM çalışan PFC’nin DCM çalışan eşine göre bobin değeri büyük olması beklenir ki bu da DCM’nin yanında kendisine 3 önemli avantaj sağlar; RMS akımlar DCM’ye göre daha düşük olacağından verim kazanımı sağlanır, turn-off kayıpları (peak akımların düşük olmasından dolayı) daha azdır ve yüksek frekans bileşenli akımlar daha az olduğu için küçük bir EMI filtre ile istenen P.F. oranına ulaşmak mümkündür.

Genellikle 300W ve üzeri uygulamalarda PFC tercihinin CCM yönünde olması, günümüz yarı iletkenleri göz önüne alındığında, uygulama alanı içerisinde yukarıda saydığımız nedenlerden dolayı avantajlar doğurmaktadır.

b) Discontinuous Conduction (Ciritical/Boundary) Mode PFC
300W ve altında standart olarak gördüğümüz DCM çalışan PFC’ler kendi arasında ikiye ayrılmaktadır; salt DCM ve CrCM ya da diğer adıyla Boundary Mode PFC. Salt DCM çalışan PFC devreleri günümüzde yok denecek kadar az kullanılmaktadır; bunun nedeni peak akımların çok yüksek olması, verim kaybı ve uygun yarı iletken fiyatlarının benzerlerine göre yüksek olması gösterilebilir. CrCM çalışan PFC devreleri ise aşağıdaki şekilde bir akım şekline sahiptir.CrCM PFCCrCm çalışan PFC’de kritik nokta bobin akımının sürekli DCM/CCM mod aralığında çalışmasıdır. Bu PFC topolojisinde işleyiş mantığı ise oldukça sadedir: yukarıdaki grafikte de görülebileceği üzere, bobin akımı referans noktaya kadar arttırılır ve sonrasında anahtarlama elemanı kesime götürülerek bobin akımının sıfır olması beklenir, akım tam sıfır olduğu anda ise anahtarlama elemanı tekrar iletime geçirilerek tekrar döngü devam ettirilir.

CrCM çalışan PFC’nin RMS akımları yüksek olacağı için iletim, peak akım değerinden dolayı kullanılan bobinin ise nüve kaybı daha fazla olsa da özellikle sıfır akımda anahtarlanmanın gerçeklenmesi, hızlı (küçük reverse recovery) diyot kullanımı beklentisini ortadan kaldırdığı için, daha ucuz çözümler bu topoloji içerisinde mümkün olmaktadır.

Pasif PFC Yöntemleri
Yukarıda anlattığımız aktif PFC yöntemlerinin yanında özellikle çok düşük güçlerde (<30W) kullanılan bir diğer yöntem ise pasif PFC yöntemidir. Bu yöntemde herhangi bir anahtarlama elemanı bulunmamaktadır. Aşağıda “Valley-fill PFC” adıyla geçen ve çok sık karşılaştığımız PFC yapısı görülebilir.0116_PowerAnalog_F6Bu yapıda, giriş akım şekli, impulse’dan ziyade boşlukları doldurma yönünde (adından da anlaşılacağı üzere) hareket eder ve P.F. oranını iyileştirilir. Devre, özellikle maliyet baskısının uç noktalarda olduğu led ampül gibi uygulamalarda karşımıza sıklıkla çıkmaktadır.

Sonlandırırken..
Bu bölümde PFC’nin temellerini ve çok sık tercih edilen topolojileri ele almaya çalıştık. İkinci ve son bölümde ise 100W çıkış gücüne sahip (400V/0.25A), giriş gerilimi 85-265V aralığında gezinen PFC devresi tasarımı ve PSIM simülasyonu ile konuyu sonlandırmayı hedefliyorum.

İlgili tüm sorularınızı yorum bölümünden iletebilirsiniz.
Herkese çalışmalarında başarılar dilerim.

  1. Hakan dedi ki:

    Selamlar,

    Çok güzel bir yazı olmuş. İlerleyen bölümler için bir ricam olacak. Aktif ve pasif PFC güç kaynaklarıyle birlikte, “simule edilmiş sinus” (kare dalga aslında) UPS cihazlarının kullanımında neden problemler olduğunu kısaca anlatabilirseniz sevinirim.

    Teşekkürler

  2. Emrah dedi ki:

    Merhaba

    Ben bir üniversite öğrencisiyim ve bu konulara çok meraklıyım. Switch Mode bir güç kaynağı tasarlamak istiyorum fakat daha önce SMPS’ler için trafo hesapları yapmadım. 12V/500mA, Pasif PFC’li bir SMPS için yapmam gerekenler nelerdir? Örnek şema ve formül verebilir misiniz?

    • Fırat DEVECİ dedi ki:

      Emrah merhaba,

      İlerleyen günlerde bu konu ile ilgili tasarımın nasıl yapılacağını gerçek bir uygulama üzerinde göstereceğim. O ana kadar takipte kalınız.

  3. Mehmet dedi ki:

    Merhaba,
    Yazınızla ilgili varsa referanslar da paylaşabilir misiniz?

  4. Ahmet dedi ki:

    Fırat hocam elinize sağlık,
    Pfc bulunmayan bir flyback smps te p.f. kabul edilebilir sınır değerleri nedir?

Yorum Yazınız

error: Kopyalama KARDEŞ!