使用智能控制器提高電力電子效率

電力電子面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一是效率，必須最大限度地提高效率，以滿足國際標(biāo)準(zhǔn)的要求并減少電力浪費(fèi)，創(chuàng)造更可持續(xù)的產(chǎn)品。

任何交流供電的應(yīng)用都需要電源，從最簡單的手機(jī)充電器到工業(yè)應(yīng)用中最復(fù)雜、功能最強(qiáng)大的SMPS。在理想的電源中，從交流電源汲取的所有功率都可供負(fù)載使用。實(shí)際上，這只有在電流與電壓同相時(shí)才有可能。如果電流和電壓彼此異相，則電網(wǎng)吸收的部分能量會(huì)丟失。電源的功率因數(shù)校正 (PFC)級正是執(zhí)行此任務(wù)，試圖盡可能接近對應(yīng)于單位功率因數(shù)的理想情況。

隨著其電力電子技術(shù)的發(fā)布，總部位于劍橋的初創(chuàng)公司 Pulsiv 今天走出了隱形模式。Pulsiv OSMIUM 無需 PFC 電感器，通過專有工藝將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，包括對微型存儲(chǔ)電容器進(jìn)行充電和放電。高功率因數(shù)、持續(xù)的高效率和超緊湊的系統(tǒng)架構(gòu)都是該解決方案的特點(diǎn)。利用 Pulsiv OSMIUM 技術(shù)可以最大限度地降低成本，提高系統(tǒng)整體效率，并有助于減少全球能源使用。

Pulsiv 的智能控制

Pulsiv是一家成立于 2013 年的公司，是普利茅斯大學(xué)的衍生公司，由一小群銷售、產(chǎn)品開發(fā)和財(cái)務(wù)領(lǐng)域的領(lǐng)先專業(yè)人士組成。在研究太陽能微型逆變器技術(shù)時(shí)，Pulsiv 的工程師發(fā)現(xiàn)了一種從太陽能電池板中提取更多能量的新方法。他們還發(fā)現(xiàn)，通過反向應(yīng)用類似原理，該技術(shù)適用于 LED 照明、電池充電和 AC/DC 轉(zhuǎn)換。盡管太陽能技術(shù)仍然是 Pulsiv 的一個(gè)業(yè)務(wù)部門，但該公司最近已經(jīng)多元化以提供電源解決方案。

Pulsiv 首席執(zhí)行官 Darrel Kingham 表示：“我們的產(chǎn)品基本上由一個(gè)主要的美國 Tier 1 半導(dǎo)體設(shè)備組成，我們在其中添加了我們的專有 IP?！?“結(jié)果是 Pulsiv OSMIUM 微控制器 [MCU]，它是創(chuàng)建涵蓋廣泛功率范圍的電力電子前端的基礎(chǔ)?！?

所有有價(jià)值的技術(shù)都在 Pulsiv OSMIUM MCU 內(nèi)部，其主要任務(wù)是產(chǎn)生高功率因數(shù)，同時(shí)在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)保持高效率。在基本的 PFC 控制器中，開關(guān)電流通過串聯(lián)電感，通過測量電壓和電流的相移，可以校正功率因數(shù)。

“我們的解決方案基于另一種方法，我們控制存儲(chǔ)電容器的充電和放電，”Kingham 說?！斑@是我們專利的基礎(chǔ)，它為我們提供了許多額外的好處，而不僅僅是功率因數(shù)校正。”

PFC 可以在沒有任何電感器的情況下實(shí)現(xiàn)，并且只需要一個(gè)小的存儲(chǔ) X 電容器通過適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)(以開關(guān) S 1和 S 2表示)進(jìn)行充電和放電)。MCU 控制電容器充電至與電網(wǎng)同步的某個(gè)最大電壓，從而在任何情況下最大化功率因數(shù)。此外，由于電流路徑完全由 MCU 控制，因此當(dāng)電路最初上電時(shí)，沒有浪涌電流。Pulsiv 的解決方案消除了電源前端的浪涌電流，因?yàn)樗梢哉{(diào)節(jié)流入大容量電容器的電流;唯一的浪涌是 X 電容器的瞬態(tài)。未調(diào)節(jié)的存儲(chǔ)電容器的放電是通過一個(gè)簡單的二極管完成的，其電流取決于前端級之后的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。

由于控制器不允許電壓過高，因此可以使用標(biāo)準(zhǔn) 160-V 電容器代替通常使用的 450-V 電容器，從而降低成本。此外，由于只有在電網(wǎng)電壓降至零時(shí)才有效存儲(chǔ)所需的能量，因此您無需存儲(chǔ)大量能量。這允許您使用具有較低額定電壓的較小電容器。

“當(dāng)你串聯(lián)使用一個(gè)電感器時(shí)，所有的能量都必須一直通過電感器，但是當(dāng)你使用一個(gè)并聯(lián)電容器時(shí)，你只需要在需要的時(shí)候儲(chǔ)存少量的能量，”金厄姆說。

Pulsiv 解決方案的另一個(gè)好處是效率概況。與效率開始迅速下降的升壓轉(zhuǎn)換器不同，該轉(zhuǎn)換器可以在非常低的功率下保持非常高的效率。這是因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)升壓 PFC 開始崩潰的低功率區(qū)域，使用此轉(zhuǎn)換器，電容器將僅按所需的能量充電。Pulsiv OSMIUM 技術(shù)支持主動(dòng)橋控制、可配置保持、X-Cap 放電、HVDC 輸出選擇、功耗指示器和電網(wǎng)故障檢測。這些可選特性可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇，以滿足不同終端應(yīng)用的需求。

Pulsiv 的技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了高效率，而且能夠在包括低功率在內(nèi)的整個(gè)功率范圍內(nèi)保持高和穩(wěn)定。在性能穩(wěn)定并滿足能源之星 VI 要求的情況下，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 99% 的效率。該解決方案的一個(gè)相關(guān)方面是它通過使用 95% 的商品組件來實(shí)現(xiàn)效率，這意味著我們可以獲得成本非常低的材料清單 (BOM)(6 到 15 美元)，并且顯然，它使此類組件的采購量大大增加更簡單。

可擴(kuò)展性是 Pulsiv 技術(shù)的另一個(gè)關(guān)鍵因素。由于 MCU 無法確定輸出功率，因此只需更改三個(gè)關(guān)鍵組件(一個(gè)電感器、一個(gè) MOSFET 和一個(gè)電容器)，所需的輸出功率(從 1 W 擴(kuò)展到 10 kW+)可以由同一電路支持(所有其他組件保持不變)。

“通過將我們的完整反激式 150W 設(shè)計(jì)與其他半導(dǎo)體公司的參考設(shè)計(jì)進(jìn)行比較，結(jié)果表明我們在 BOM 中需要的組件減少了三分之一到一半，而且我們的設(shè)計(jì)非常簡單，”Kingham 說。

不久將發(fā)布兩款 Pulsiv OSMIUM 控制器(PSV-AD-150 和 PSV-AD-250 現(xiàn)已采樣)，以支持需要高達(dá) 250 W 功率的應(yīng)用。將提供 Pulsiv AC/DC 前端的完整電路配置，以簡化設(shè)計(jì)過程。其中包括完整的原理圖、BOM、Altium 文件和組件計(jì)算器。75-W 48-V 反激式參考設(shè)計(jì)和 120-W 48-V 反激式參考設(shè)計(jì)同時(shí)推出，其中包括優(yōu)化的 DC/DC 級。隨后是完整的 150-W 20-V 交錯(cuò)式 PSU 參考設(shè)計(jì)和完整的 150-W USB-C 參考設(shè)計(jì)。到今年年底，完整的 500W 電流源 PSU 參考設(shè)計(jì)將完善該產(chǎn)品組合。目前正在開發(fā) 240W 交錯(cuò)式反激式，并且正在努力展示具有更高功率能力的參考設(shè)計(jì)。

“我們希望向市場推出更高效、符合能源之星標(biāo)準(zhǔn)、建造相當(dāng)經(jīng)濟(jì)且任何人都可以采用的產(chǎn)品，”Kingham 說。

Pulsiv 技術(shù)適用的三個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：

· 集成電力電子設(shè)備，通常是大批量應(yīng)用，客戶不會(huì)購買現(xiàn)成的商用電源，因?yàn)樗鼈兲蠡蛱F

· 開關(guān)電源制造商，他們可以使用 Pulsiv 技術(shù)來提高功率、密度和性能

· 完成的解決方案，主要圍繞 USB 應(yīng)用和引人注目的移動(dòng)電源

工程師可以使用PSV-AD-250-DS 開發(fā)系統(tǒng)來評估 Pulsiv OSMIUM 技術(shù)，連接合適的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器將產(chǎn)生完整的電源原型。完整的參考設(shè)計(jì)可通過該公司的網(wǎng)站免費(fèi)獲得，以展示 Pulsiv OSMIUM 與精心挑選的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器相結(jié)合的可能性。