Selezione di un IC per la Correzione del Fattore di Potenza per la Conversione AC-DC

Se prelevi energia dalla rete AC, puoi utilizzare un IC per la correzione del fattore di potenza per garantire una conversione AC-DC ad alta efficienza.

Una cosa è creare un design perfettamente funzionale, ma è un'altra cosa assicurarsi che tale design possa essere legalmente collegato alla rete. Il problema non è tanto se il dispositivo è sicuro e funzionale. Piuttosto, garantire un'alta efficienza di conversione nelle fasi di alimentazione, sia come unità a sé stanti sia integrate su un PCB, riguarda tutto il mantenimento di un alto fattore di potenza. Questo è un aspetto che può essere trascurato da molti progettisti, ma è fondamentale per la conformità agli standard.

La necessità di controllare la correzione del fattore di potenza si applica a livello industriale, a livello di consumatore e ovunque nel mezzo. Se funzioni con la rete AC e regoli il tuo ingresso DC con un regolatore di commutazione, allora dovresti considerare l'aggiunta di un IC per la correzione del fattore di potenza. I benefici includono la conformità agli standard e il risparmio di denaro sui conti della luce per i tuoi clienti. Ecco cosa osservare quando si seleziona un IC per la correzione del fattore di potenza per il tuo prossimo PCB.

Che cos'è la Correzione del Fattore di Potenza?

Il fattore di potenza di un sistema elettrico è definito come la potenza effettiva prelevata dal sistema rispetto alla potenza apparente (o teorica) prelevata dal sistema. Per semplici conversioni AC-DC lineari (ad es., con un trasformatore), o conversioni DC-DC lineari (ad es., con un divisore di tensione), il fattore di potenza è uguale all'efficienza del sistema quando non c'è potenza reattiva. In questo caso, la correzione del fattore di potenza implica semplicemente l'aggiunta di un certo anticipo o ritardo di fase al sistema in modo che la corrente prelevata dal sistema sia perfettamente in fase con la tensione di ingresso.

Per la conversione AC-DC e la successiva regolazione, la situazione è più complicata a causa della presenza di componenti non lineari. Qui, componenti non lineari, come i diodi utilizzati in un raddrizzatore, produrranno una distorsione armonica nella forma d'onda della corrente all'ingresso dello stadio di regolazione. In sostanza, l'unico momento in cui la corrente viene prelevata nella sezione del raddrizzatore è quando i diodi nel raddrizzatore conducono, producendo un impulso di corrente nel sistema.

Questo è mostrato negli esempi di forme d'onda qui sotto per un sistema con un raddrizzatore come misurato prima del condensatore di livellamento. La curva blu mostra la tensione AC raddrizzata che è in ingresso al condensatore di livellamento, e la curva rossa mostra il prelievo di corrente ogni volta che i diodi nel raddrizzatore conducono.

Forme d'onda di tensione e corrente in un raddrizzatore prima degli stadi di condensatore/regolatore di livellamento.

Perché dovrebbe accadere questo? Si noti che i diodi nel raddrizzatore, essendo componenti non lineari, cambiano effettivamente la loro resistenza in CC tra stati alti e bassi una volta che la tensione di ingresso supera una certa soglia, quindi assorbono corrente significativa solo quando la tensione raddrizzata è abbastanza alta. Questo è il motivo per cui la corrente di ingresso durante la rettificazione appare come impulsi, piuttosto che come un'onda sinusoidale rettificata. Questo crea distorsione armonica sulla rete AC, che deve essere mantenuta al di sotto di un certo livello specificato poiché un alto THD spreca essenzialmente energia altrove nella rete. In questo esempio, supponiamo che il fattore di potenza del sistema sia del 60% e l'efficienza teorica del tuo regolatore sia del 95%; l'efficienza reale sarà del 60% x 95% = 57%. Questo dovrebbe mostrare come, nelle strategie di regolazione della potenza in cascata, un basso fattore di potenza/efficienza in un blocco diminuirà l'efficienza in tutti i blocchi a valle. Aggiungendo un circuito di correzione del fattore di potenza, si sta uniformando il prelievo di corrente nella fase a valle del regolatore di tensione in modo che corrisponda più da vicino alla forma d'onda di tensione reale, aumentando così l'efficienza totale della sezione di alimentazione.

Selezione di un IC per la Correzione del Fattore di Potenza

Aggiungendo un IC per la correzione del fattore di potenza tra l'uscita del raddrizzatore e la tua fase di regolazione a valle, stai portando il fattore di potenza complessivo del sistema più vicino a 1. I componenti COTS possono portare il fattore di potenza molto vicino a 1. Ci sono altre valutazioni da considerare quando si seleziona un IC per la correzione del fattore di potenza:

• Valutazioni massime di tensione e corrente: Gli IC per la correzione del fattore di potenza non sono progettati per sistemi ad alta tensione/alta potenza. Prestare attenzione a queste valutazioni per evitare che il chip si bruci. Si noti che il fattore di potenza di un IC reale può essere una funzione

• Topologia: I circuiti PFC possono avere una topologia buck o boost. Potresti costruire un PFC buck-boost, ma questo non è comunemente usato poiché normalmente è necessario aumentare o diminuire la potenza della rete AC. Il diagramma a blocchi per questi IC appare praticamente come un 

• Frequenza di modulazione: Un IC per la correzione del fattore di potenza utilizza un segnale PWM di commutazione per prelevare periodicamente corrente nel circuito PFC in sincronizzazione con la forma d'onda della tensione di ingresso. Questa azione di commutazione uniformerà la corrente prelevata dalla fase di raddrizzamento. I valori tipici sono nell'ordine dei 100 kHz. Alcuni IC forniranno questo segnale PWM come uscita per l'uso in un regolatore di commutazione a valle.

• Modalità di conduzione: Sono disponibili tre modalità di conduzione: modalità di conduzione continua (CCM), modalità di conduzione critica (CrCM) e modalità di conduzione discontinua (DCM). Questo si riferirà al metodo di modulazione (PWM o PFM), di cui il PWM è piuttosto comune.

Ecco alcuni degli IC per la correzione del fattore di potenza che troverai sul mercato:

Analog Devices, LT1509

Il LT1509CSW di Analog Devices converte un'uscita ad alta tensione non regolata in un'uscita a bassa tensione isolata utilizzando la PWM. Il ciclo di lavoro è limitato internamente al 47% per prevenire la saturazione del trasformatore. Questo componente sincronizza internamente il segnale PWM con la sezione del controller PFC per garantire la massima correzione del fattore di potenza (fattore di potenza nominale del 99%). La tensione di alimentazione in ingresso è valutata da 11,5 a 25 V con un'uscita valutata a 7,5 V grazie a un circuito integrato di tensione di riferimento.

Diagramma a blocchi del IC di correzione del fattore di potenza LT1509. Dal datasheet LT1509.

ON Semiconductor, NCL30030B3DR2G

Il NCL30030B3DR2G di ON Semiconductor fornisce correzione del fattore di potenza e regolazione integrate (topologia flyback a modo corrente quasi-risonante) in sistemi che richiedono kW di potenza. Questo particolare componente è stato progettato per pilotare banchi di LED, ma può servire ad altri scopi che richiedono un'uscita ad alta potenza. La fase PFC fornisce valori del fattore di potenza vicini a 1 in CrCM con bassa distorsione armonica. La tensione di alimentazione nominale varia da 40 a 700 V con un'uscita di 210V/4A.

Texas Instruments, UC3854BDW

Il UC3854BDW IC di correzione del fattore di potenza di Texas Instruments opera in CCM e accetta una tensione di alimentazione da 10 a 20 V (22 V massimo assoluto). Questo IC contiene un oscillatore PWM integrato da 200 kHz con un riferimento interno di 7,5 V per la commutazione e il livellamento. L'uscita è ridotta a 5V/1.2A con meno del 3% di distorsione della corrente di linea. Questo IC è disponibile anche in pacchetti PDIP a 16 pin, SOIC largo, CDIP e PLCC a 20 pin.

Diagramma a blocchi del IC di correzione del fattore di potenza UC3854BDW. Dal datasheet UC3854BDW.

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