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致力省電節能技術發展,瑞薩的功率因數改善控制IC

發布時間:2010-10-9 10:14    發布者:eetech
1.瑞薩科技在省電節能領域作出的貢獻

近年來,伴隨著國際節能運動的日益高漲,在世界范圍內,針對電子產品的相關法律、法規陸續出臺,其內容也在不斷升級。在這一背景下,作為電器電子產品主要構成要素的電源線路顯得尤為重要。  

為此,長期致力于電源線路控制IC產品推廣省電節能技術的瑞薩科技,充分運用企業作為基礎技術而保有的模擬技術,推出了眾多節能的電源用產品,如圖1所示。  



圖1.瑞薩科技在電源領域的業務展開情況

眾所周知,電源線路中實現功率因數改善(注1)的PFC電路(以下略稱PFC)在實現電能效率方面發揮著極大作用。與其他電源產品一樣,瑞薩科技一直在積極推廣PFC電路中所使用的控制IC產品。比如,從圖2所示的優化產品結構的發展藍圖中,可以看出控制IC產品的應用范圍覆蓋了從FPD-TV到PC電源、再到空調等眾多白色家電產品。



圖2.瑞薩科技的PFC控制IC產品的展開情況

本文介紹的是面向大功率電源的R2A20114系列PFC控制IC,以及作為開關器件的RJP/RJH60系列IGBT產品。

2.R2A20114系列產品化的背景

在空調、服務器等運行功率在 1kW(千瓦)以上的大功率產品中,供給的電力必須具有高穩定性。該電源裝置的PFC控制IC,歷來都采用單一方式的連續模式(注2)產品。但伴隨著電量的增加、電流的增強,升壓線圈日趨大型化,出現了用于吸收越來越大的開關噪聲的過濾器也逐步大型化的問題。為了解決這個問題,PFC控制IC開始呈現出高效率化和低噪聲化的趨勢。

近年來,為了解決包括環保在內的種種問題,節能運動正被積極推進,其中的一項內容,便是實施了以實現服務器、PC用電源中能源的高效率化、以及促進采用高效率電源為目的的CSCI?(注3)、80 PLUS?(注4)等計劃。與此同時,空調等家電在開始運行時的高負荷狀態下功率變換效率得以提升,在額定負荷下的功率變換效率提高的要求也在加強。

為了應對這些要求,瑞薩科技將PFC控制IC的單一方式轉變為交錯方式(注5),以推動幾乎所有負荷領域功率變換效率的提升。

瑞薩科技生產的中功率 (1kW以下) PFC控制IC——R2A20112,是世界上首次將臨界模式交錯方式進行產品化生產、實現對單一方式產品功率變換效率提高的產品。同時,輕負荷、高效率功能搭載品也形成了系列產品,被PC、FPD-TV等很多機器采用。此外,臨界模式交錯方式PFC控制IC技術,在大功率產品中也得到了靈活運用。可以提高各種功率變換效率的連續模式、交錯方式PFC控制IC——R2A20114系列產品已經得到推出。

3.R2A20114系列的特征

PFC控制IC作為減少在服務器、數碼家電等產品中,電源裝置中交流(AC)和直流(DC)交換時因為輸入電壓和輸入電流的波形不同而產生的無效功率和高調波(注4)的IC,它使輸入電流與輸入電壓具有同樣的波形。為了達到節能同時應對國際上對高調波的限制,近年來該產品被廣泛應用在電源裝置中。

R2A20114系列產品,在促進電源裝置進一步高效率化、低噪聲化的同時,也可對應大功率產品的需求。

3-1.致力于電源裝置小型化

R2A20114系列具備以下可使電源裝置整體小型化的特征與功能。

(1) 通過采用交錯方式,使輸入波紋電流(脈動電流)與瑞薩科技歷來產品相比降低1/4

瑞薩科技在連續模式PFC控制IC上初次采用交錯方式,實現了超出單一方式的高效率。交錯方式用于輸入電流的波形成形,成對的兩個升壓電路交互動作,與瑞薩科技歷來的一個升壓電路動作的單一方式產品相比較,輸入波紋電流(脈動電流)可降低1/4。  

與此同時,電源裝置的輸入過濾器、升壓線圈、輸出入電容器等部件的小型化,也使電源裝置整體實現了小型化與薄型化。

例如,在連續模式單一方式產品中,在需要使用大型升壓線圈的同時還不得不將其固定在安裝線圈的箱體上。而R2A20114系列產品由于可以使用小型線圈,因此可以直接搭載在電路板上。從而使控制線圈自身成本和安裝成本都成為可能。

同時,由于線圈、電路間的配線可以收藏在電路板內,因此不僅EMC噪聲得到了降低,電源系統整體工作的穩定性也得到了提高。

(2) 與瑞薩科技歷來產品相比,降低了約6dB的噪聲

如何降低開關噪聲是處理大功率連續模式的一大課題。而在R2A20114系列產品中、由于搭載了開關頻率的調制功能,因而使在可變化范圍和頻率的規格范圍內任意設定開關頻率成為現實。與瑞薩科技以前的連續模式產品相比較,噪聲峰值降低約6dB,為電源線噪聲的降低做出了貢獻。

(3) 內置各種保護線路

R2A20114系列內置如下多種保護線路。使電源系統在提高穩定性的同時,通過減少零件的點數使電源裝置趨向簡單,從而降低成本。

實現業界首例內置交錯方式下成對的兩個升壓電路的平衡在遭到破壞時輸出錯誤信號的功能。

超電流工作持續一定時間以上時,離合器停止的定時自鎖功能。

輸入AC電壓偏低時,停止工作的功能。

兩個系統的超電壓線路等。

3-2.輕負荷時的效率提高

R2A20114系列產品可以提高輕負荷時的效率。

(1) 通過輕負荷時的效率提高,實現全負荷領域的高功率變換效率

R2A20114系列產品具有在不需要大功率的輕負荷狀態時停止單方升壓線路的功能(相位落下功能)。在供給相同電功率的電源線路中,由于交錯方式的電流值是單一方式的一半,開關器件等可以控制電力損失,因此,在重負荷領域中,交錯方式在效率方面更為有利。但是,在輕負荷領域中,由于開關器件的電力損失起支配作用,因此它并不能比單一方式更有效率。相位落下功能在輕負荷時將它轉換成單一方式,可以將上述開關時的電力損失減半。由此,交錯方式中輕負荷時的效率提高問題得以解決,這樣可實現在幾乎所有負荷領域中功率變換效率的提高。

3-3.應對大功率用電源

R2A20114系列具備能讓數個R2A20114系列IC同時運轉的功能。該功能使得大功率用電源很容易實現。

(1) 通過外部的同期輸入端子,實現數個R2A20114系列IC的同期并列運轉

R2A20114系列裝備有接收外部信號控制PFC工作的外部同期輸入端子。利用這個端子,可以使數個R2A20114系列IC同期并列運轉。

也就是說,以R2A20114系列IC、輔助線圈、開關器件為中心的電源線路,通過利用這個端子來并列運行,使得大功率用電源的實現成為可能。這一功能可以對零件的標準化、電源的開發時間及成本的降低做出貢獻。

4.產品的結構整合

圖3的(1)和(2)表示R2A20114系列的PFC電路構成。圖3(1)的開關器件中使用了IGBT。



(1) R2A20114 (2) R2A20104

圖3.「R2A20114系列」的PFC電路構成

4-1.PFC控制IC

在空調和服務器等電器中,由于電流控制所需的電流信息檢測器件各不相同,分別對應于此的電流控制規格R2A20114和R2A20104已經產品化生產。R2A20114面向電流控制部分沒有富余空間的空調等,規格使用的是并聯電阻(業界首次在連續模式交錯方式的PFC控制IC中搭載并聯電阻);R2A20104面向功率變換效率已經明確規格化了的服務器、PC等,規格使用的是損失較少的變流器。由此,所有大功率機器都可以應對。

兩個產品的軟件包都有面組裝軟件包HLQFP-40和SOP-20。

4-2.面向大功率電源的IGBT

瑞薩科技正在展開作為面向大功率電源的開關器件IGBT——RJP/RJH60系列的產品拓展,該產品能以600V的高耐壓值對應各種電流值。設想它適用于1kW以上的空調(高級機型)、IH烹調加熱器、服務器等的電源。在這種大功率帶中,與開時的損失觀點相比,對于開關器件來說,IGBT比MOSFET更為適合。

另外,瑞薩科技的IGBT整合了同行業最高水平的高速開關產品,與PFC控制IC相組合,可以實現效率良好的大功率用電源。高速開關產品的整合如表1所示。

表1.瑞薩科技的高速IGBT產品陣容



5.結束語

本文介紹了連續模式交錯方式的PFC控制IC——R2A20114系列和IGBT——RJP/RJH60系列產品。

今后,瑞薩科技將繼續通過開發和推廣適用于各種用途的PFC控制IC及開關器件產品,為電源線路的省電節能做出貢獻。

■注 記

(注1) 功率因數改善(PFC:Power Factor Correction):

在交流(AC)轉換為直流(DC)等時使用的電容器及輸入型開關電源中,AC的輸入波形對應于電壓的正弦波,電流形成脈沖。為此,由于輸入電壓和輸入電流的波形差異而產生無效的功率,同時產生高調波。功率因數改善是指為了提高有效功率的比例(功率因數),通過形成與輸入電壓相同波形的輸入電流波形,改善無效功率和高調波的產生。  

·高調波是指,商用電源中50Hz或60Hz的整數倍正弦波。高調波電流不僅對機器有影響,而且對商用電力線也產生惡劣影響。因此,根據國際規定,各國都將對高調波電流的限制進行法律化。功率因數改善是達到IEC及JIS等標準規格中規定的高調波電流限制規定的手段之一。

(注2) 連續模式:

在升壓線圈電流重疊的狀態下,升壓線路開關的模式。

(注3) CSCI?(Climate Savers Computing Initiative):  

由Intel Corporation和 Google, Inc.設立的CSCI (通過使用優良功率效率的計算機實現環境保護的計劃)中,各個行業、一般消費者、政府、環保團體一致配合,以大幅度提高PC和服務器的功率效率為目標。

·Climate Savers? 是國際環境保護團體WWF的商標或注冊商標。

·Intel、Intel標識是Intel Corporation在美國以及其他國家的商標。

·Climate Savers Computing Initiative的網址: http://www.climatesaverscomputing.org/japan/about/

(注4) 80 PLUS?:

是提高PC、服務器等的電源裝置的功率變換效率,并且促進該電源的認證及使用為目的的計劃。  

負荷為20%、50%、100%時,功率變換效率必須為80%以上。

·80 PLUS的網址: http://www.80plus.org/

(注5) 交錯方式:成對的兩個升壓電路交互工作的方式。

在一方的升壓電路的開關和開關之間,增補另一方電路的開關線路。相對于只有一個升壓電路的單一方式,它可以提高效率,還可以降低輸出入電流的脈沖。

(注6) 臨界模式:

從檢測出升壓線圈的電流為零開始,升壓電路進行開關的模式。

* 其他記載的產品名稱、公司名稱、品牌都分別歸屬其所有者。
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