Vajapeyam Sukumar Fairchild 應(yīng)用工程師
持續(xù)飆升的電價(jià)使人們對變頻驅(qū)動(dòng)（VFD）的節(jié)能電動(dòng)機(jī)重新刮目相看。許多種電機(jī)，例如無刷直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)甚至感應(yīng)電機(jī)都可以采用變頻驅(qū)動(dòng)來使輸入的交流電壓同步。這種對于節(jié)
能電機(jī)的興趣進(jìn)而增加了人們對于 Fairchild 的智能功率模塊(SPMTM)的關(guān)注。這些模塊將功率開關(guān)管、驅(qū)動(dòng)線路和防護(hù)裝置集成在一個(gè)低價(jià)、緊湊并且獨(dú)立的模塊中，直接連接到一側(cè)的微控制器或者 DSP 以及另一側(cè)的電機(jī)上。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)與電源不同，許多標(biāo)準(zhǔn)，例如歐洲的 IEC 1000-3-2，都要求電源帶有功率因數(shù)校正電路，而各國政府對于電機(jī)驅(qū)動(dòng)是否帶有 PFC 基本上沒有任何硬性的規(guī)定。然而，現(xiàn)在隨著人們的環(huán)保觀念越來越強(qiáng)，這種情況正在慢慢地發(fā)生變化。目前，將功率因數(shù)校正用于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的根本原因就是為了簡化設(shè)計(jì)以及市場營銷。從 120Vac 的墻面插座中可以獲得的最大電流是限制電動(dòng)機(jī)大小的關(guān)鍵所在。一般說來，在北美墻面插座的額定電流為15A。然而，安全機(jī)構(gòu)卻規(guī)定從插座中獲得的最大電流不得超過12A。將 PFC 電路用于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的主要原因就是為了能夠使用現(xiàn)有的 120Vac 的墻面插座來帶動(dòng)一臺較大的電動(dòng)機(jī)。
將PFC 電路用于電動(dòng)機(jī)控制的另一個(gè)原因就是電動(dòng)機(jī)的固有通用額定電壓以及輸出電壓波動(dòng)的減少可以極大地簡化電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)的事實(shí)。經(jīng)過 PFC 電路之后電動(dòng)機(jī)的輸入電壓就會變高，從而降低電流，進(jìn)而減少損耗。
目前有兩種常用的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) PFC 電路——部分 PFC 電路和常規(guī) PFC 電路。部分PFC 是一種通過每半圈開關(guān)一次電源裝置來改變輸入電流的波形的方法。因此，盡管部分PFC 非常高效，但是不能產(chǎn)生非常高的功率因數(shù)。而常規(guī) PFC 可以將 PFC 從非 PFC 設(shè)計(jì)的大約 70% 提高到 99%。兩種形式的功率因數(shù)校正都被廣泛地應(yīng)用在電動(dòng)機(jī)控制上，特別是在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和 PFC 模塊被置于同一個(gè)組件當(dāng)中的情況下，可以產(chǎn)生緊湊的設(shè)計(jì)效果。例如，圖1中所示的迷你 SPM 組件可以容納額定電壓為 600V 以及多種額定電流（從 3A 到 50A）的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，具體情況取決于這些模塊中所含的硅晶體的類型和大小，以及絕緣材料及其性能。將所有 PFC 電路放在同一個(gè)模塊中，我們可以獲得一個(gè) 40kHz 的開關(guān)，600V 的常規(guī) PFC 電路，范圍在 2kW 到 6kW 之間。
圖1a：迷你 DIP 組件的外殼為 44mm × 26.8mm ，可以提供 2500Vac 的絕緣（持續(xù)1分鐘）。
Fairchild 的這種 Motion-SPM 的電流范圍從 3A 到 50A，包含六個(gè) IGBT（或者 MOSFET），反并聯(lián)二極管和適用于所有功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)IC。
如上圖1b所示將 PFC 模塊和 Motion-SPM變頻器置于同一個(gè)組件中可以獲得一個(gè)簡潔優(yōu)美的外觀設(shè)計(jì)效果。
部分轉(zhuǎn)換功率因數(shù)校正模塊
如上所述，由于該模塊中的 IGBT 以電網(wǎng)頻率開關(guān),而且要有極低的導(dǎo)通電壓，所以較慢的 IGBT適合這類模塊的需要。用于模塊中的整流器也做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲得最低的正向壓降，而不是針對恢復(fù)時(shí)間。部分 PFC 方案可以將功率因數(shù)提高到百分之九十到九十幾的范圍。需要使用輸出電容器來處理較大的脈動(dòng)電流，并且無源元件，特別是磁性元件的尺寸較大。因此，這種方法只適用于低于 3kW 的系統(tǒng)。通常用于窗式空調(diào)。
圖2a：部分轉(zhuǎn)換 PFC 電路的特有的電壓和電流波形
圖2b：使用 Fairchild 的FSAB20PH60 模塊的特有的圖形。左上方的熱敏電阻器是用來監(jiān)控模塊內(nèi)部的溫度，并且為 MCU 或者 DSP 提供信息的。
常規(guī)功率因數(shù)校正模塊
常規(guī)功率因數(shù)校正電路不僅可以用于電動(dòng)機(jī)控制，而且還可以用于其他方面，例如電源或者照明。常規(guī)功率因數(shù)校正電路可以是計(jì)算密集型的，通常采用一個(gè)專用的 PFC IC，例如 FAN4800連續(xù)電流型 PFC IC，來減少 MCU 或者 DSP 上的計(jì)算量。對于電源來說，使用模塊可以使二極管和功率開關(guān)管之間的距離最小化，從而降低寄生電感，進(jìn)而減少功率損失。這類 PFC 適用于各式各樣的功率級。Fairchild 的 FPxB 系列智能功率模塊適合于 2kW 到 6kW 的范圍，特別適合于功率較高的空調(diào)產(chǎn)品。在散熱條件一般的應(yīng)用中，DBC 絕緣材料是最佳的選擇。采用一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻器來監(jiān)控模塊中的模頭溫度可以有效地防止熱失控。在模塊中采用低歐姆值的電流傳感電阻器還可以獲得精確的電流測量。在模塊高壓側(cè)的兩個(gè)二極管需要的是超快恢復(fù)二極管，并且?guī)в熊浕謴?fù)以便將電磁干擾（EMI）降到最低限度。
考慮到成本和正向壓降，對低壓側(cè)二極管進(jìn)行了優(yōu)化。用于模塊中的快速 IGBT 可以將模塊的開關(guān)頻率提高到超過 20kHz。
圖3a：常規(guī)功率因數(shù)校正電路的特有的電壓和電流波形。獲得超過99%的功率因數(shù)是可能的。
圖3b：Fairchild 的 FPAB50PH60 的內(nèi)部電路圖，一個(gè)帶有 20kHz IGBT 和超快 Stealth? 二極管的 30A、600V 的 PFC 模塊。
這種采用模壓塑料制成的多用途、低成本、使用DBC材料絕緣的 PFC 模塊，其優(yōu)點(diǎn)是可以廣泛應(yīng)用于各種瓦數(shù)范圍。只需更換另外一種 IGBT，或者電荷平衡 MOSFET，例如 Fairchild 的 600V SuperFET? MOSFET，這些模塊就可以用于從 100Hz 到 100kHz 之間的任何開關(guān)頻率。
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