Auswahl eines Leistungsfaktorkorrektur-ICs für die AC-DC-Umwandlung

Wenn Sie Strom von AC-Hauptleitungen abnehmen, können Sie einen Leistungsfaktorkorrektur-IC verwenden, um eine hocheffiziente AC-DC-Umwandlung zu gewährleisten.

Es ist eine Sache, ein funktional perfektes Design zu erstellen, aber es ist eine andere Sache sicherzustellen, dass dieses Design legal an das Stromnetz angeschlossen werden kann. Ob das Gerät sicher und funktional ist, ist eigentlich nicht das Problem. Stattdessen geht es darum, in den Stromversorgungsstufen, ob als eigene Einheiten oder auf eine PCB integriert, einen hohen Leistungsfaktor aufrechtzuerhalten. Dies ist ein Aspekt, der von vielen Designern übersehen werden kann, aber er ist kritisch für die Einhaltung von Standards.

Die Notwendigkeit, die Leistungsfaktorkorrektur zu kontrollieren, gilt auf industrieller Ebene, auf Verbraucherebene und überall dazwischen. Wenn Sie von AC-Hauptleitungen betrieben werden und Ihren DC-Eingang mit einem Schaltregler regulieren, dann sollten Sie in Erwägung ziehen, einen Leistungsfaktorkorrektur-IC hinzuzufügen. Die Vorteile umfassen die Einhaltung von Standards und das Einsparen von Geld für Ihre Kunden bei ihren Stromrechnungen. Hier ist, worauf Sie achten sollten, wenn Sie einen Leistungsfaktorkorrektur-IC für Ihre nächste PCB auswählen.

Was ist Leistungsfaktorkorrektur?

Der Leistungsfaktor eines elektrischen Systems wird als die tatsächlich vom System gezogene Leistung im Verhältnis zur scheinbaren (oder theoretischen) vom System gezogenen Leistung definiert. Bei einfacher linearer Hoch- und Herunterregelung von AC (z.B. mit einem Transformator) oder linearer DC-DC-Umwandlung (z.B. mit einem Spannungsteiler) entspricht der Leistungsfaktor der Effizienz des Systems, wenn keine Blindleistung vorhanden ist. In diesem Fall besteht die Leistungsfaktorkorrektur einfach darin, dem System etwas Phasenvorlauf oder Phasennacheilung hinzuzufügen, so dass der Stromverbrauch des Systems perfekt in Phase mit der Eingangsspannung ist.

Bei der AC-DC-Umwandlung und der anschließenden Regulierung ist die Situation aufgrund der Anwesenheit von nichtlinearen Komponenten komplizierter. Hier erzeugen nichtlineare Komponenten, wie die in einem Gleichrichter verwendeten Dioden, eine harmonische Verzerrung in der Stromwellenform am Eingang zur Reglerstufe. Im Wesentlichen wird Strom nur in den Gleichrichterabschnitt gezogen, wenn die Dioden im Gleichrichter leiten, was einen Stromimpuls in das System erzeugt.

Dies wird in den untenstehenden Beispielwellenformen für ein System mit einem Gleichrichter gezeigt, gemessen vor dem Glättungskondensator. Die blaue Kurve zeigt die gleichgerichtete AC-Spannung, die an den Glättungskondensator angelegt wird, und die rote Kurve zeigt den Stromverbrauch, wann immer die Dioden im Gleichrichter leiten.

Spannungs- und Stromwellenformen in einem Gleichrichter vor den Glättungs-/Reglerstufen.

Warum sollte das passieren? Beachten Sie, dass die Dioden im Gleichrichter, da sie nichtlineare Komponenten sind, ihren Gleichstromwiderstand zwischen hohen und niedrigen Zuständen effektiv ändern, sobald die Eingangsspannung einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, sodass sie nur dann einen signifikanten Strom ziehen, wenn die gleichgerichtete Spannung hoch genug geht. Deshalb erscheint der Eingangsstrom während der Gleichrichtung als Pulse, anstatt als gleichgerichtete Sinuswelle. Dies erzeugt harmonische Verzerrungen am Wechselstromnetz, die unter einem bestimmten Niveau gehalten werden müssen, da ein hoher THD grundsätzlich anderswo im Netz Leistung verschwendet. In diesem Beispiel nehmen wir an, der Leistungsfaktor des Systems beträgt 60% und der theoretische Wirkungsgrad Ihres Reglers beträgt 95%; der reale Wirkungsgrad wird 60% x 95% = 57% sein. Dies sollte zeigen, wie bei kaskadierten Leistungsregelungsstrategien ein niedriger Leistungsfaktor/Wirkungsgrad in einem Block den Wirkungsgrad in allen nachfolgenden Blöcken verringert. Durch Hinzufügen einer Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur glätten Sie den Strombezug in die nachgeschaltete Spannungsreglerstufe, sodass sie näher an der wahren Spannungswellenform liegt, was den Gesamtwirkungsgrad des Stromversorgungsabschnitts erhöht.

Auswahl eines ICs zur Leistungsfaktorkorrektur

Durch das Hinzufügen eines ICs zur Leistungsfaktorkorrektur zwischen dem Ausgang des Gleichrichters und Ihrer nachgeschalteten Reglerstufe bringen Sie den Gesamtleistungsfaktor des Systems näher an 1. COTS-Komponenten können den Leistungsfaktor sehr nahe an 1 bringen. Es gibt andere Bewertungen, auf die Sie achten sollten, wenn Sie einen IC zur Leistungsfaktorkorrektur auswählen:

• Max. Spannungs- und Strombewertungen: ICs zur Leistungsfaktorkorrektur sind nicht für extrem hohe Spannungs-/Hochleistungssysteme ausgelegt. Achten Sie auf diese Bewertungen, um zu verhindern, dass der Chip durchbrennt. Beachten Sie, dass der Leistungsfaktor eines realen ICs eine Funktion sein kann

• Topologie: PFC-Schaltungen können eine Buck- oder Boost-Topologie haben. Sie könnten eine Buck-Boost-PFC bauen, aber dies wird normalerweise nicht verwendet, da Sie normalerweise die Wechselstromnetzleistung hoch- oder herunterregeln müssen. Das Blockdiagramm für diese ICs sieht im Grunde genauso aus wie ein

• Modulationsfrequenz: Ein IC zur Leistungsfaktorkorrektur verwendet ein schaltendes PWM-Signal, um periodisch Strom in die PFC-Schaltung in Synchronisation mit der Eingangsspannungswellenform zu ziehen. Diese Schaltaktion wird den vom Gleichrichterstadium gezogenen Strom glätten. Typische Werte liegen im Bereich von 100 kHz. Einige ICs werden dieses PWM-Signal als Ausgang für die Verwendung in einem nachgeschalteten Schaltregler bereitstellen.

• Leitungsmodus: Es gibt drei verfügbare Leitungsmodi: kontinuierlicher Leitungsmodus (CCM), kritischer Leitungsmodus (CrCM) und diskontinuierlicher Leitungsmodus (DCM). Dies wird sich auf die Modulationsmethode (entweder PWM oder PFM) beziehen, von denen PWM recht häufig ist.

Hier sind einige der ICs zur Leistungsfaktorkorrektur, die Sie auf dem Markt finden werden:

Analog Devices, LT1509

Der LT1509CSW von Analog Devices wandelt eine ungeregelte Hochspannungsausgabe in eine isolierte Niederspannungsausgabe unter Verwendung von PWM um. Der Tastgrad ist intern auf 47% begrenzt, um eine Sättigung des Transformators zu verhindern. Dieses Bauteil synchronisiert das PWM-Signal intern mit dem PFC-Controller-Teil, um eine maximale Leistungsfaktorkorrektur (99% bewerteter Leistungsfaktor) zu gewährleisten. Die Eingangsspannung ist von 11,5 bis 25 V bewertet, mit einer bewerteten Ausgabe von 7,5 V dank eines integrierten Referenzspannungskreises.

Blockdiagramm des LT1509 Leistungsfaktorkorrektur-IC. Aus dem LT1509 Datenblatt.

ON Semiconductor, NCL30030B3DR2G

Der NCL30030B3DR2G von ON Semiconductor bietet integrierte Leistungsfaktorkorrektur und Regelung (quasi-resonante Strommodus-Flyback-Topologie) in Systemen, die kW Leistung benötigen. Dieses spezielle Bauteil wurde für das Betreiben von LED-Bänken entworfen, kann aber auch für andere Zwecke, die eine hohe Leistungsausgabe erfordern, verwendet werden. Die PFC-Stufe bietet Leistungsfaktorwerte nahe 1 im CrCM mit niedriger harmonischer Verzerrung. Die bewertete Versorgungsspannung reicht von 40 bis 700 V mit 210V/4A Ausgabe.

Texas Instruments, UC3854BDW

Der UC3854BDW Leistungsfaktorkorrektur-IC von Texas Instruments arbeitet im CCM und akzeptiert eine Versorgungsspannung von 10 bis 20 V (22 V absolut maximal). Dieser IC enthält einen integrierten 200 kHz PWM-Oszillator mit einem internen 7,5 V Referenz für Schalt- und Glättungsvorgänge. Die Ausgabe wird auf 5V/1.2A mit weniger als 3% Linienstromverzerrung reduziert. Dieser IC ist auch in 16-Pin PDIP, breitem SOIC, CDIP und 20-Pin PLCC Gehäusen verfügbar.

Blockdiagramm des UC3854BDW Leistungsfaktorkorrektur-IC. Aus dem UC3854BDW Datenblatt.

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