Energibesparende ensretter

Merforbruget opstår ved, at overholdelsen af kravene med eksisterende teknologi reelt kræver, at elektronisk udstyr må forsynes med aktive ensrettere som udover at reducere de harmoniske strømme på nettet, medfører en kraftig stigning i elforbruget til elektronisk udstyr. Projektet skulle derfor bidrage med forskning i alternative energibesparende metoder og udstyr til opnåelse af normkravene omhandlende reduktion af harmoniske strømme fra net tilsluttet elektronisk udstyr, idet det var hensigten at et bredt område af nye topologier skulle undersøges og dokumenteres samtidig med at der skulle opbygges og testes forskellige applikationstilpassede konvertere. Udførelse: Projektet startede med en kortlægning af de kendte topologier således at man havde en basis at arbejde ud fra. I løbet af projektperioden er der blevet afholdt fire såkaldte PowerSeminar'er med deltagelse af alle parter. Her er nye koncepter blevet diskuteret og analyseret med henblik på optimering og energibesparelse. Virksomhederne har bidraget med praktiske opbygninger der i praksis har vist hvor langt men har kunnet nå med PFC convertere. Resultater: Den første del af projektet fokuserede på forskellige angrebsvinkler for at opnå den ønskede ac/dc konvertering samtidigt med at man skulle opfylde normerne. Størstedelen af forskningen de sidste mange år har drejet sig om at integrerer PFC-enheden i dc/dc-konverteren og en af opgaverne i dette projekt var at analyserer effekten på virkningsgraden ved at gøre dette. De to store grupper af alternative PFC løsninger er Reduced Power Processing og Single-Stage. For at kunne undersøge de forskellige løsningers ydelse er de basale konverter topologier, både isolerede og uisolerede; blevet analyseret ved at kigge på komponent stresset. Under dette arbejde blev flere vigtige observationer gjort. De to vigtigste observationer der indvirkede direkte på forskellige PFC konverteres ydeevne er: 1) Uisolerede buck og boost type konvertere har lavt komponent stress sammenlignet med buck-boost type konvertere. 2) Isolerede buck og boost konvertere har øget halvleder stress, og udviser en dramatisk stigning i disse stress når de yderligere udsættes for input spændings variationer. I Reduced Power Processing løsningen er det typist at vurdere ydeevnen af den løsning at beregne hvor mange gange effekten bliver behandlet. I denne vurdering bruges Two-Stage løsningen som et worst case med dens to gange effekt behandling, beregnet som en gang for PFC for-konverteren og en gang for den isolerede dc/dc konverter. Det er vist at det antal gange effekten behandles er en meget dårlig indicator på hvor effektiv konverteringen udføres. Og i alle praktiske tilfælde så udsætter Reduced Power Processing løsningen komponenterne for et højere stress sammenlignet med Two-Stage løsningen. Dette er grunden til at Reduced Power Processing løsningen bliver nødt til at benytte konvertere med højere stress (buck-boost afledede) og/eller isolerede konvertere i høj-stress konfigurationer. Den grundlæggende konklusion er: Det er ikke hvor mange gange, men hvorledes effekten behandles, som er den afgørende faktor for komponent stresset og dermed på effektiviteten. Single-Stage løsningerne består af en isoleret dc/dc konverter som former input strømmen således at det er muligt at opfylde normkravene. Udgangsspændingen er reguleret med en hurtig kontrol sløjfe. Og Single-Stage løsningen er ikke afhængige af et separate kontrol system for at regulere input strømmen. For at afkoble den pulserende input effekt benyttes en stor buffer kondensator som energilager. Da der kun er et kontrol system som regulere output spændingen, så bliver buffer kondensatorens spænding ikke reguleret direkte. Dens spænding afhænger af input/output effect balancen, og vil typisk variere proportionalt med input net-spændingen. Dette betyder at for et 3:1 ac input spændings område så vil den isolerede dc/dc konverter også blive udsat for et 3:1 spændings område. Derfor er Single-Stage løsningernes Achilles hæl den isolerede dc/dc konverter. Den varierende input spænding vil udsætte effect halvlederne for usædvanligt stort stress med det resultat at Two-Stage løsningen er mere effektiv. De bedste Single-Stage løsninger bliver konkurrencedygtige med Two-Stage løsningen når input spændings området reducers til omkring 1,3:1. Dette betyder at for applikationer med et meget smalt input spændingsområde så bliver de bedste Single-Stage løsninger måske en fornuftig løsning. For applikationer med et bredt input spændings område så er Two-Stage løsningen med en boost PFC overlegen sammenlignet med Reduced Power Processing løsningen og Single-Stage løsningen. Selvom boost konverteren har lavt stress, så er spændings variationer stadigvæk den begrænsende factor for effektiviteten. Da boost konverteren kun kan lave en output spænding højere end den maksimale net spids spænding, så er worst case situationen for konverteren ved lav net spænding hvor step-up forholdet er maksimalt. Andre PFC for-konvertere eksistere som kan lave en output spænding mindre end den maksimale spids net spænding. SEPIC konverteren er I stand til dette, men da den er afledet af busk-boost konverteren så er components stresset højt med deraf følgende reduceret effektivitet. Foruden den lavere output spænding så er SEPIC konverteren i stand til at kontrolere inrush strømmen, hvilket boost konverteren ikke kan uden ekstra at være forsynet med ekstra kredsløb til dette. Et PFC kredsløb som ikke burger en bro ensrette er blevet opfundet I projektet. Dette kredsløb og adskillige varianter er blevet patenteret. En 500W 180V output prototype af dette kredsløb har vist lovende effektivitets målinger. Omskiftbare topologier som to-transistor buck-boost konverteren er bedre fremgangsmåder end SEPIC. Denne konverter kan ændre topologi fra at være en boost type til en buck type afhængigt af øjebliksværdien af net spændingen. Hvis net spændingen er mindre end output spændingen så arbejder konverteren I boost mode og I buck mode hvis net spændingen er store end output spændingen. Den største ulempe ved denne løsning er at al input effekten skal flyde gennem buck switchen, og at i buck mode sbliver input strømmen meget diskontinuert, hvilket øger kravene til EMI filtrering. Alle ovenfor nævnte undersøgelser, overvejelser og observationer har ført til opfindelsen af en ny type PFC konverter som adresserer problemerne med boost konverteren men beholder dens effektive konvertingsforhold. Denne nye konverter er blevet kaldt Efficient Wide Range Converter (EWiRaC) og besidder følgende kendetegn: 1) Høj effektivitet. 2) Output spænding under spidsværdien af net spændingen. 3) Kontinuert input strøm (lave EMI-filter krav). 4) Inrush strøm begrænsning. Flere versioner af EWiRaC er blevet præsenteret, de baserer sig alle på et princip kaldet serie spændingskilde princippet. EWiRaC er under patentering. Dette princip gør det muligt set fra konverterens side effektivt at reducere input spændingsområdet med en faktor to. EWiRaC løsningen er blevet sammenlignet med to-transistor buck-boost konverteren og standard boost konverteren. Resultatet af sammenligningen viste at EWiRaC potentialt vil få mulighed for at opnå højere effektivitet sammenlignet med både to-transistor buck-boost og standard boost konverterne. For at eftervise ydeevnen af EwiRaC er to prototyper med forskellige styremåder blevet præsenteret. EWiRaC prototyperne blev designet til universielt net spændings område med en output spænding på 185VDC og en output effekt på 500W. Effektiviteten for denne prototype nåede op på 94,8% og for det fulde net spændingsområde var worst case effektiviteten i området 94,8%-97%. For en boost PFC konverter med de same effekt halvledere ville effektiviteten blive mindst 1-2 procent point lavere, hvilket kan oversættes til en reduction af effekttabet på 15%-30% ved brug af EWiRaC. Konklusion: Deltagerne har opnået det de forventede af projektet. De har kunnet drage meget nytte af at projektet har bestået af mange deltagere. Det har givet anledning til megen ny inspiration som har betydet et realiserings niveau, der ikke kunne hav været nået, hvis kun en virksomhed havde deltaget. Samarbejdet mellem deltagerene har været meget frugtbart. Specielt har de tekniske indlæg og erfaringsudvekslingen i forbindelse med de fire afholdte PowerSeminar'er været særdeles udbytterige. Den viden og de praktiske eksperimenter har betydet at virksomhederne i fremtiden kan realisere mere energi effektive PFC konvertere end inden projektet startede, og det er en viden der vil blive brugt i fremtidige produkter. Afmatningen i IT- og Telebranchen har desværre haft indflydelse på nogle af virksomhederne, hvilket har betydet et skift i effektstørrelse og begrænset de praktiske eksperimenter. Trods dette har projektet dog bidraget positivt på virksomhedernes forskning indenfor energibesparende AC/DC forsyninger. Projektet har fuldt levet op til forventningerne. Deltagerne har fået et generelt overblik over kendte topologier og deres fordele og ulemper, har fået en række nye kredsløb som åbner andre, nye muligheder i forbindelse med PFC-kredsløb samt ikke mindst et inspirerende samarbejde med de øvrige deltagende firmaer og DTU