Seleccionando un IC de corrección del factor de potencia para la conversión de AC-DC

Si estás obteniendo energía de la red de AC, puedes usar un IC de corrección del factor de potencia para asegurar una conversión de AC a DC de alta eficiencia.

Es una cosa crear un diseño funcionalmente perfecto, pero es otra cosa asegurar que ese diseño pueda conectarse legalmente a la red. Si el dispositivo es seguro y funcional realmente no es el problema. En cambio, asegurar una alta eficiencia de conversión en las etapas de suministro de energía, ya sea como unidades propias o integradas en un PCB, se trata de mantener un alto factor de potencia. Este es un aspecto que muchos diseñadores pueden pasar por alto, pero es crítico para el cumplimiento de normas.

Esta necesidad de controlar la corrección del factor de potencia se aplica a nivel industrial, de consumo y en cualquier punto intermedio. Si estás funcionando con corriente alterna y regulando tu entrada de DC con un regulador conmutado, entonces deberías considerar agregar un IC de corrección del factor de potencia. Los beneficios incluyen el cumplimiento de normas y ahorrar dinero a tus clientes en sus facturas de electricidad. Esto es lo que debes tener en cuenta al seleccionar un IC de corrección del factor de potencia para tu próximo PCB.

¿Qué es la Corrección del Factor de Potencia?

El factor de potencia de un sistema eléctrico se define como la potencia real consumida por el sistema respecto a la potencia aparente (o teórica) consumida por el sistema. Para la conversión de AC a AC simple lineal (por ejemplo, con un transformador), o la conversión de DC a DC lineal (por ejemplo, con un divisor de voltaje), el factor de potencia es igual a la eficiencia del sistema cuando no hay potencia reactiva. En este caso, la corrección del factor de potencia simplemente implica agregar algo de adelanto o retraso de fase al sistema para que la corriente consumida por el sistema esté perfectamente en fase con el voltaje de entrada.

Para la conversión de AC a DC y la regulación subsiguiente, la situación es más complicada debido a la presencia de componentes no lineales. Aquí, los componentes no lineales, como los diodos utilizados en un rectificador, producirán distorsión armónica en la forma de onda de la corriente en la entrada a la etapa reguladora. En esencia, la única vez que se consume corriente en la sección del rectificador es cuando los diodos en el rectificador están conduciendo, produciendo un pulso de corriente en el sistema.

Esto se muestra en los ejemplos de formas de onda a continuación para un sistema con un rectificador como se mide antes del capacitor de suavizado. La curva azul muestra el voltaje de CA rectificado que se introduce al capacitor de suavizado, y la curva roja muestra la corriente consumida siempre que los diodos en el rectificador conducen.

Formas de onda de voltaje y corriente en un rectificador antes de las etapas de capacitor/regulador de suavizado.

¿Por qué debería suceder esto? Tenga en cuenta que los diodos en el rectificador, al ser componentes no lineales, cambian efectivamente su resistencia en CC entre estados altos y bajos una vez que el voltaje de entrada supera cierto umbral, por lo que solo extrae corriente significativa cuando el voltaje rectificado es lo suficientemente alto. Esto es por qué la corriente de entrada durante la rectificación aparece como pulsos, en lugar de una onda senoidal rectificada. Esto crea distorsión armónica en la red de CA, la cual debe mantenerse por debajo de cierto nivel especificado ya que un alto THD básicamente desperdicia energía en otros lugares de la red. En este ejemplo, suponga que el factor de potencia del sistema es del 60% y la eficiencia teórica de su regulador es del 95%; la eficiencia real será del 60% x 95% = 57%. Esto debería mostrar cómo, en estrategias de regulación de potencia en cascada, un bajo factor de potencia/eficiencia en un bloque disminuirá la eficiencia en todos los bloques aguas abajo. Al agregar un circuito de corrección del factor de potencia, está suavizando la extracción de corriente hacia la etapa del regulador de voltaje aguas abajo para que coincida más de cerca con la forma de onda de voltaje real, lo que aumenta la eficiencia total de la sección de suministro de energía.

Seleccionando un IC de Corrección del Factor de Potencia

Al agregar un IC de corrección del factor de potencia entre la salida del rectificador y su etapa de regulador aguas abajo, está acercando el factor de potencia general del sistema a 1. Los componentes COTS pueden acercar el factor de potencia muy cerca de 1. Hay otras calificaciones a tener en cuenta al seleccionar un IC de corrección del factor de potencia:

• Calificaciones máximas de voltaje y corriente: Los ICs de corrección del factor de potencia no están diseñados para sistemas de alta tensión/alta potencia. Preste atención a estas calificaciones para evitar que el chip se queme. Tenga en cuenta que el factor de potencia de un IC real puede ser una función

• Topología: Los circuitos PFC pueden tener topología de reducción o de aumento. Podría construir un PFC reductor-aumentador, pero esto no se usa comúnmente ya que normalmente necesita aumentar o reducir la potencia de la red de CA. El diagrama de bloques para estos ICs básicamente se ve justo como un

• Frecuencia de modulación: Un IC de corrección del factor de potencia utiliza una señal PWM de conmutación para extraer periódicamente corriente al circuito PFC en sincronización con la forma de onda de voltaje de entrada. Esta acción de conmutación suavizará la corriente extraída de la etapa del rectificador. Los valores típicos están en el rango de 100 kHz. Algunos ICs proporcionarán esta señal PWM como una salida para su uso en un regulador de conmutación aguas abajo.

• Modo de conducción: Hay tres modos de conducción disponibles: modo de conducción continua (CCM), modo de conducción crítica (CrCM) y modo de conducción discontinua (DCM). Esto se relacionará con el método de modulación (ya sea PWM o PFM), de los cuales PWM es bastante común.

Aquí hay algunos de los ICs de corrección del factor de potencia que encontrará en el mercado:

Analog Devices, LT1509

El LT1509CSW de Analog Devices convierte una salida de alto voltaje no regulada en una salida de bajo voltaje aislada utilizando PWM. El ciclo de trabajo está limitado internamente al 47% para prevenir la saturación del transformador. Este componente sincronizará internamente la señal PWM con la sección del controlador PFC para asegurar la máxima corrección del factor de potencia (factor de potencia nominal del 99%). El voltaje de suministro de entrada está calificado de 11.5 a 25 V con una salida nominal de 7.5 V gracias a un circuito integrado de voltaje de referencia.

Diagrama de bloques del IC de corrección de factor de potencia LT1509. Del datasheet de LT1509.

ON Semiconductor, NCL30030B3DR2G

El NCL30030B3DR2G de ON Semiconductor proporciona corrección de factor de potencia integrada y regulación (topología flyback de modo de corriente cuasi-resonante) en sistemas que requieren kW de potencia. Este componente en particular fue diseñado para impulsar bancos de LEDs, pero puede servir para otros propósitos que requieran una salida de alta potencia. La etapa PFC proporciona valores de factor de potencia cercanos a 1 en CrCM con baja distorsión armónica. El voltaje de suministro nominal varía de 40 a 700 V con una salida de 210V/4A.

Texas Instruments, UC3854BDW

El IC de corrección de factor de potencia UC3854BDW de Texas Instruments opera en CCM y acepta un voltaje de suministro de 10 a 20 V (máximo absoluto de 22 V). Este IC contiene un oscilador PWM integrado de 200 kHz con una referencia interna de 7.5 V para conmutación y suavizado. La salida se reduce a 5V/1.2A con menos del 3% de distorsión de corriente de línea. Este IC también está disponible en paquetes de 16 pines PDIP, SOIC ancho, CDIP y PLCC de 20 pines.

Diagrama de bloques del IC de corrección de factor de potencia UC3854BDW. Del datasheet de UC3854BDW.

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