PROGETTARE UN PFC TRIFASE AD ELEVATA DENSITA DI POTENZA

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1 Rapporti fra PMI e Centri di Ricerca: l esperienza Università Roma Tre - Larcet PROGETTARE UN PFC TRIFASE AD ELEVATA DENSITA DI POTENZA Luca Solero Università degli Studi Roma Tre Dip. Ingegneria Meccanica e Industriale Sezione Azionamenti Elettrici e Elettronica di Potenza LARCET SRL Via L. Biolchini 14\B Roma Tel /18

2 Sommario Specifiche di Progetto Classificazione Tipologie PFC Configurazione Individuata Caratterizzazione Sperimentale Ulteriori Attività di Collaborazione Università-Industria 2/18

3 ROMA TRE? L Università degli Studi Roma Tre nasce nel Facoltà e 29 Dipartimenti Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale 30 Docenti, 12 Unità Personale TAB, 4 Assegnisti di Ricerca, 22 Dottorandi di Ricerca Laboratorio Sperimentale suddiviso in 10 Sezioni: Chimica, Convertitori Macchine e Azionamenti Elettrici, Costruzioni Aeronautiche, Fisica Tecnica, Fluidodinamica, Ingegneria e Sicurezza degli Scavi, Macchine a Fluido, Misure Meccaniche e Termiche, Progettazione Meccanica e Costruzioni di Macchine, Scienza e Tecnologia dei Materiali Progettazione e Realizzazioni Prototipali di Convertitori Elettronici di Potenza, Macchine Elettriche a Magneti Permanenti e Relativi Algoritmi di Controllo per Applicazioni nell Ambito del Trasporto e dell Energia (generazione, conversione e accumulo) Collaborazioni con enti e aziende: ENEA, LARCET, SEMIKRON, ANSALDO BREDA, LUCCHI ELETTROMECCANICA 3/18

4 SPECIFICHE DI PROGETTO Ingresso trifase 400Vac 50-60Hz senza neutro con uscita 48V Fattore di potenza > 0.9 THD < 10% conforme EN classe A Potenza 3kW Efficienza > 85% Dimensioni (L x W x H) 250mm x 250mm x 50mm, volume previsto circa 3.2 dm 3 Raffreddamento a liquido, acqua a temperatura di 50 C Protezioni da sovraccarico, under-over voltage di uscita, temperatura Controllo analogico Obiettivo futuro: realizzazione del PFC trifase con una architettura digitale utilizzando una piattaforma DSP dedicata 4/18

5 CLASSIFICAZIONE Classificazione dei PFC in base alla configurazione circuitale PFC passivi PFC a singolo stadio PFC a doppio stadio Opportunità della configurazione da impiegare: alimentazione con limitata variazione di tensione di fase ( V / V) alimentazione con ampia variazione di tensione di fase (85-265V) tensione di uscita 10-48V intervallo di potenza <500W, W, >1000W HIGH QUALITY IEEE 519 IEC COST NO REGULA TIONS 5/18

6 PFC A DOPPIO STADIO 2 circuiti di controllo e di protezione, economicamente sensato solo per potenze superiori a 4-500W Estremamente competitivo per potenza W anche in caso di ampia variazione di tensione di ingresso Valida alternativa al singolo stadio per potenza W in caso di ampia variazione di tensione di ingresso Buona dinamica dello stadio di uscita, stadio che può essere dimensionato in maniera ottimizzata e dotato di ZCS o ZVS 6/18

7 PFC TRIFASE Doppio stadio Raddrizzatore switching o configurazione Vienna per potenze dell ordine dei 10kW e superiori numero elevato di diodi e switch controllo complesso e costoso, necessità di misure isolate, circuiti di pilotaggio ad alta tensione, algoritmi di controllo trifase e spesso con trasformazione di coordinate DCM e DVM in configurazioni con singolo switch valida alternativa per potenze fino a 10kW, con possibilità di elevata frequenza di commutazione in caso di ZCS o ZVS, possibilità di impiego anche in assenza di neutro filtri EMI da dimensionare con particolare attenzione 7/18

8 PFC BOOST TRIFASE Possibilità di impiego di 3 configurazioni monofase qualità della corrente deteriorata rispetto ad 1 singolo PFC monofase a causa di asimmetrie nelle correnti di ritorno i1, i2, i3 THD 10% Configurazione trifase DCM dipendenza del THD dall indice di modulazione M=Vdc/Vllpk dipendenza del duty cycle dalle condizioni di carico 8/18

9 PFC BOOST TRIFASE DCM Elevata tensione del dc link per ridurre THD% 12 THD% 10 8 Simulation Experimental 2, , ,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 M Harmonic current (rms, A) 1,6 1,4 1,2 1 0,8 5kW 6kW 7kW 8kW 9kW 10kW IEC limit Accorgimenti per riduzione della 5^ armonica a potenze > 5kW 9/18 0,6 0,4 0,2 0 5^ 7^ 11^ 13^ Harmonics

10 CONFIGURAZIONE IMPIEGATA Frequenza di commutazione 50kHz Tensione di link 800V Duty cycle a carico nominale 0.25 L1 dimensionato in modo da garantire modalità DCM C1, C2 dimensionati in accordo con le caratteristiche dinamiche del controllo, devono garantire il valore efficace di corrente che li sollecita, possibile dimensionamento sulla base di specifiche di hold-up time Opportuna scelta di Cf1 rispetto al valore di L1 Lf, Cf dimensionati sulla base dell attenuazione necessaria per soddisfare la normativa EMI di riferimento 10/18

11 STADIO DI USCITA Frequenza di commutazione 60kHz Tensione di link 800V Duty cycle a carico nominale circa 0.25, uscita stabile anche in caso di assenza PFC L0, C0 dimensionati sulla base delle specifiche di uscita C3, C4 dimensionati in accordo con lo stadio PFC (circa 1/10 C1 e C2) Possibile incremento della frequenza di commutazione e riduzione componenti passivi impiegando differenti configurazioni dello stadio di uscita e sincronizzando le commutazioni dei 2 stadi 11/18

12 PROTOTIPO PFC BOOST TRIFASE DCM tadio di uscita limentazioni di servizio iltri di ingresso FC Trifase DCM 12/18

13 ALIMENTAZIONI DI SERVIZIO Alimentazione dall ingresso di potenza Ampia variazione tensione di ingresso Contenimento delle dimensioni Necessità di alimentazioni isolate 13/18

14 TEST 3KW STADIO PFC Tensione di link (traccia gialla), tensione concatenata in ingresso (traccia verde), corrente in ingresso al filtro (traccia viola), corrente discontinua in ingresso al PFC (traccia blu) Tensione di link (traccia gialla), tensione in ingresso (traccia verde), corrente nel collegamento n (traccia viola 5A/div), corrente discontinua in ingresso al PFC (traccia blu) Tensione di gate dello switch inferiore (traccia gialla), tensione di gate dello switch superiore (traccia verde), corrente discontinua in ingresso al PFC (traccia blu) 14/18

15 TEST 3KW DOPPIO STADIO Tensione di pilotaggio gatesource (traccia gialla), tensione drain-source (traccia verde), corrente avvolgimento primario (traccia viola) Tensione DS MOSFET PFC (CH1, traccia gialla 200V/div), tensione CE IGBT Full-Bridge (CH2, traccia verde 200V/div), corrente induttore di uscita (CH3, traccia viola 20A/div), corrente induttore PFC (CH4, traccia celeste 10A/div), tempo 5µs/div Variazione a gradino 50%-100%-50% a 48V (1650W-3200W-650W) Tensione dc-link 800V (traccia gialla 200V/div), tensione uscita (traccia verde 20V/div), corrente uscita (traccia viola 20A/div), corrente ingresso PFC (traccia celeste 5A/div), tempo 10ms/div e 20ms/div 15/18

16 CARATTERIZZAZIONE SPERIMENTALE Distorsione Armonica Totale di corrente 10.6% (con una distorsione Armonica Totale della tensione di ingresso compresa fra 1.9% e 2.7%) Armoniche di Corrente in percento rispetto alla fondamentale: 2^-3.5%, 3^-0.3%, 4^- 4.6%, 5^ - 8%, 7^ - 2.4% Armoniche pari? Asimmetria layout filtri di ingresso Fattore di Potenza di Prima Armonica DPF=0.994 Fattore di Potenza Totale PF=0.988 Rendimento PFC (traccia blu), rendimento Full-Bridge (traccia marrone), rendimento alimentatore (traccia verde) al variare della potenza di uscita 16/18

17 TEST A BASSO CARICO Test a basso carico: 260W a 48V con PFC in modalità low power Tensione dc-link 800V (CH1, traccia gialla 200V/div), tensione uscita (CH2, traccia verde 20V/div), corrente induttore di uscita (CH3, traccia viola 5A/div), corrente ingresso PFC (CH4, traccia celeste 1A/div), tempo 10ms/div 17/18

18 ULTERIORI ATTIVITÀ DI COLLABORAZIONE Inverter per la Trazione Elettrica Leggera Inverter per Generazione Elettrica da Fonti Rinnovabili (Fotovoltaico) e Fuel Cell 18/18

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