持續(xù)飆升的電價(jià)使人們對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)（VFD）的節(jié)能電動(dòng)機(jī)重新刮目相看。許多種電機(jī)，例如無(wú)刷直流電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)甚至感應(yīng)電機(jī)都可以采用變頻驅(qū)動(dòng)來(lái)使輸入的交流電壓同步。這種對(duì)于節(jié)
能電機(jī)的興趣進(jìn)而增加了人們對(duì)于 Fairchild 的智能功率模塊(SPMTM)的關(guān)注。這些模塊將功率開(kāi)關(guān)管、驅(qū)動(dòng)線路和防護(hù)裝置集成在一個(gè)低價(jià)、緊湊并且獨(dú)立的模塊中，直接連接到一側(cè)的微控制器或者 DSP 以及另一側(cè)的電機(jī)上。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)與電源不同，許多標(biāo)準(zhǔn)，例如歐洲的 IEC 1000-3-2，都要求電源帶有功率因數(shù)校正電路，而各國(guó)政府對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)是否帶有 PFC 基本上沒(méi)有任何硬性的規(guī)定。然而，現(xiàn)在隨著人們的環(huán)保觀念越來(lái)越強(qiáng)，這種情況正在慢慢地發(fā)生變化。目前，將功率因數(shù)校正用于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的根本原因就是為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)以及市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)。從 120Vac 的墻面插座中可以獲得的最大電流是限制電動(dòng)機(jī)大小的關(guān)鍵所在。一般說(shuō)來(lái)，在北美墻面插座的額定電流為15A。然而，安全機(jī)構(gòu)卻規(guī)定從插座中獲得的最大電流不得超過(guò)12A。將 PFC 電路用于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的主要原因就是為了能夠使用現(xiàn)有的 120Vac 的墻面插座來(lái)帶動(dòng)一臺(tái)較大的電動(dòng)機(jī)。
將PFC 電路用于電動(dòng)機(jī)控制的另一個(gè)原因就是電動(dòng)機(jī)的固有通用額定電壓以及輸出電壓波動(dòng)的減少可以極大地簡(jiǎn)化電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)的事實(shí)。經(jīng)過(guò) PFC 電路之后電動(dòng)機(jī)的輸入電壓就會(huì)變高，從而降低電流，進(jìn)而減少損耗。
目前有兩種常用的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) PFC 電路——部分 PFC 電路和常規(guī) PFC 電路。部分PFC 是一種通過(guò)每半圈開(kāi)關(guān)一次電源裝置來(lái)改變輸入電流的波形的方法。因此，盡管部分PFC 非常高效，但是不能產(chǎn)生非常高的功率因數(shù)。而常規(guī) PFC 可以將 PFC 從非 PFC 設(shè)計(jì)的大約 70% 提高到 99%。兩種形式的功率因數(shù)校正都被廣泛地應(yīng)用在電動(dòng)機(jī)控制上，特別是在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和 PFC 模塊被置于同一個(gè)組件當(dāng)中的情況下，可以產(chǎn)生緊湊的設(shè)計(jì)效果。例如，圖1中所示的迷你 SPM 組件可以容納額定電壓為 600V 以及多種額定電流（從 3A 到 50A）的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，具體情況取決于這些模塊中所含的硅晶體的類(lèi)型和大小，以及絕緣材料及其性能。將所有 PFC 電路放在同一個(gè)模塊中，我們可以獲得一個(gè) 40kHz 的開(kāi)關(guān)，600V 的常規(guī) PFC 電路，范圍在 2kW 到 6kW 之間。
圖1a：迷你 DIP 組件的外殼為 44mm × 26.8mm ，可以提供 2500Vac 的絕緣（持續(xù)1分鐘）。
Fairchild 的這種 Motion-SPM 的電流范圍從 3A 到 50A，包含六個(gè) IGBT（或者 MOSFET），反并聯(lián)二極管和適用于所有功率開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)IC。
如上圖1b所示將 PFC 模塊和 Motion-SPM變頻器置于同一個(gè)組件中可以獲得一個(gè)簡(jiǎn)潔優(yōu)美的外觀設(shè)計(jì)效果。
部分轉(zhuǎn)換功率因數(shù)校正模塊
如上所述，由于該模塊中的 IGBT 以電網(wǎng)頻率開(kāi)關(guān),而且要有極低的導(dǎo)通電壓，所以較慢的 IGBT適合這類(lèi)模塊的需要。用于模塊中的整流器也做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲得最低的正向壓降，而不是針對(duì)恢復(fù)時(shí)間。部分 PFC 方案可以將功率因數(shù)提高到百分之九十到九十幾的范圍。需要使用輸出電容器來(lái)處理較大的脈動(dòng)電流，并且無(wú)源元件，特別是磁性元件的尺寸較大。因此，這種方法只適用于低于 3kW 的系統(tǒng)。通常用于窗式空調(diào)。
圖2a：部分轉(zhuǎn)換 PFC 電路的特有的電壓和電流波形
圖2b：使用 Fai rchild 的FSAB20PH60 模塊的特有的圖形。左上方的熱敏電阻器是用來(lái)監(jiān)控模塊內(nèi)部的溫度，并且為 MCU 或者 DSP 提供信息的。
常規(guī)功率因數(shù)校正模塊
常規(guī)功率因數(shù)校正電路不僅可以用于電動(dòng)機(jī)控制，而且還可以用于其他方面，例如電源或者照明。常規(guī)功率因數(shù)校正電路可以是計(jì)算密集型的，通常采用一個(gè)專(zhuān)用的 PFC IC，例如 FAN4800連續(xù)電流型 PFC IC，來(lái)減少 MCU 或者 DSP 上的計(jì)算量。對(duì)于電源來(lái)說(shuō)，使用模塊可以使二極管和功率開(kāi)關(guān)管之間的距離最小化，從而降低寄生電感，進(jìn)而減少功率損失。這類(lèi) PFC 適用于各式各樣的功率級(jí)。Fairchild 的 FPxB 系列智能功率模塊適合于 2kW 到 6kW 的范圍，特別適合于功率較高的空調(diào)產(chǎn)品。在散熱條件一般的應(yīng)用中，DBC 絕緣材料是最佳的選擇。采用一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻器來(lái)監(jiān)控模塊中的模頭溫度可以有效地防止熱失控。在模塊中采用低歐姆值的電流傳感電阻器還可以獲得精確的電流測(cè)量。在模塊高壓側(cè)的兩個(gè)二極管需要的是超快恢復(fù)二極管，并且?guī)в熊浕謴?fù)以便將電磁干擾（EMI）降到最低限度。
考慮到成本和正向壓降，對(duì)低壓側(cè)二極管進(jìn)行了優(yōu)化。用于模塊中的快速 IGBT 可以將模塊的開(kāi)關(guān)頻率提高到超過(guò) 20kHz。
圖3a：常規(guī)功率因數(shù)校正電路的特有的電壓和電流波形。獲得超過(guò)99%的功率因數(shù)是可能的。
圖3b：Fairchild 的 FPAB50PH60 的內(nèi)部電路圖，一個(gè)帶有 20kHz IGBT 和超快 Stealth™ 二極管的 30A、600V 的 PFC 模塊。
這種采用模壓塑料制成的多用途、低成本、使用DBC材料絕緣的 PFC 模塊，其優(yōu)點(diǎn)是可以廣泛應(yīng)用于各種瓦數(shù)范圍。只需更換另外一種 IGBT，或者電荷平衡 MOSFET，例如 Fairchild 的 600V SuperFET™ MOSFET，這些模塊就可以用于從 100Hz 到 100kHz 之間的任何開(kāi)關(guān)頻率。