Инновационная коррекция фактора мощности без датчиков

Исследователи из Университета Чоннам представили новаторский метод коррекции фактора мощности (PFC) без использования датчиков. Эта разработка обещает сделать электронные адаптеры более компактными, надежными и эффективными.

Однофазные PFC-преобразователи являются неотъемлемой частью многих потребительских электронных устройств, таких как зарядные устройства для ноутбуков, блоки питания для светодиодных ламп и портативные зарядные устройства. Они улучшают качество тока, потребляемого из сети, и обеспечивают стабильное постоянное напряжение при высокой эффективности.

Однако традиционные PFC-преобразователи с датчиками тока сталкиваются с рядом проблем: они подвержены шумам, имеют задержки сигнала, усложняют аппаратную часть и могут выходить из строя, что снижает надежность и срок службы устройств.

Предложенная бесконтактная стратегия PFC устраняет эти риски, повышает устойчивость к помехам и уменьшает количество потенциальных точек отказа, что способствует увеличению срока службы адаптеров и электроники.

Новый подход к управлению PFC

Команда ученых из Южной Кореи и Китая, возглавляемая профессором факультета электротехники Университета Чоннам Сун-Джун Парком, разработала новый метод управления, который исключает необходимость в датчике тока. Их открытие опубликовано в журнале IEEE Transactions on Consumer Electronics.

Исследователи предложили простую и надежную стратегию управления PFC с одним напряженным контуром и без датчика тока. Формула рабочего цикла, включающая компоненты прямой связи и управления, выводится на основе основного уравнения напряжения индуктивности. Важной особенностью является компенсация задержки, которая минимизирует искажения входного тока, вызванные фазовой задержкой.

«Мы выявили и решили распространенную проблему цифровых систем управления — фазовую задержку, возникающую при обработке сигналов. Эта задержка искажает входной ток. Наша встроенная техника компенсации эффективно противодействует этому, что является ключевой причиной высокого качества тока, достигаемого нашим методом», — пояснил профессор Парк.

Преимущества и практическое применение

Новая технология не требует сложных наблюдателей и математических моделей, что напрямую снижает стоимость компонентов, упрощает схему и уменьшает физические размеры устройства. Такая оптимизация также сокращает затраты на техническое обслуживание за счет минимизации компонентов, подверженных износу или требующих калибровки, что повышает долгосрочную операционную эффективность по сравнению с существующими решениями с датчиками.

Кроме того, метод нечувствителен к изменениям параметров схемы, что делает его надежным и подходящим для массового производства. Поскольку он использует стандартные цифровые сигнальные процессоры и не требует дополнительного оборудования для датчиков тока, производители могут легко и быстро интегрировать эту стратегию управления в существующие линии производства блоков питания без существенных переработок или увеличения складских запасов компонентов.

Эта технология предназначена для AC/DC-блоков питания, используемых в широком спектре электронных устройств, позволяя достигать более высоких уровней мощности в компактном и надежном корпусе. Исследователи подтвердили ее эффективность на прототипе мощностью 1,3 кВт, что является весьма актуальным показателем для потребительской и промышленной электроники.

Прототип продемонстрировал коэффициент мощности, близкий к единице (до 0,9998), и низкий коэффициент нелинейных искажений (КНИ) (2,12% при полной нагрузке), что сравнимо или даже превосходит показатели традиционных методов с датчиками. Устранение датчиков тока и сокращение числа компонентов позволило достичь меньших размеров и более простой схемы, что делает блоки питания более компактными, эффективными и экономичными.

Потенциальное влияние на потребительскую электронику

Первыми устройствами, которые выиграют от этой технологии, станут адаптеры для ноутбуков, быстрые зарядные устройства для смартфонов, блоки питания для LED-телевизоров и мониторов, серверные блоки питания, а также промышленные и бытовые электроинструменты, благодаря их широкому распространению и требованиям к средней мощности.

В течение следующих пяти-десяти лет широкое внедрение этой технологии может привести к появлению более легких и компактных электронных устройств, сокращению электронных отходов и снижению затрат. Это также будет способствовать созданию более стабильной и эффективной электроэнергетической системы, поддерживающей ускоренную электрификацию.

Профессор Парк объясняет: «Упрощая схему питания и сокращая количество компонентов, мы можем сделать зарядные устройства и адаптеры питания для всего — от ноутбуков до кухонной техники — более компактными и портативными. Поскольку миллионы электронных устройств будут потреблять более чистый синусоидальный ток с высоким коэффициентом мощности и низким КНИ из розетки, это снизит нагрузку на электросеть.

«Кроме того, более дешевые и надежные источники питания могут привести к снижению первоначальных затрат для потребителей, способствуя развитию электромобилей и систем возобновляемой энергетики».

По сути, это исследование способствует созданию будущего, в котором блоки питания внутри электроники будут не только дешевле и меньше, но и будут коллективно способствовать созданию более эффективной и устойчивой энергетической экосистемы.