Selecionando um CI de Correção de Fator de Potência para Conversão AC-DC

Se você está obtendo energia da rede AC, pode usar um CI de correção de fator de potência para garantir uma conversão AC-DC de alta eficiência.

É uma coisa criar um design funcionalmente perfeito, mas é outra coisa garantir que esse design possa ser legalmente conectado à rede. Se o dispositivo é seguro e funcional não é realmente a questão. Em vez disso, garantir alta eficiência de conversão nas etapas de fornecimento de energia, seja como unidades próprias ou integradas em uma PCB, é tudo sobre manter um alto fator de potência. Este é um aspecto que pode ser negligenciado por muitos designers, mas é crítico para a conformidade com os padrões.

Essa necessidade de controlar a correção do fator de potência se aplica no nível industrial, no nível do consumidor e em qualquer lugar entre eles. Se você está operando a partir da rede AC e regulando sua entrada DC com um regulador chaveado, então você deve considerar adicionar um CI de correção de fator de potência. Os benefícios incluem conformidade com os padrões e economia de dinheiro para seus clientes nas contas de eletricidade. Aqui está o que observar ao selecionar um CI de correção de fator de potência para sua próxima PCB.

O que é Correção de Fator de Potência?

O fator de potência de um sistema elétrico é definido como a potência real desenhada pelo sistema para a potência aparente (ou teórica) desenhada pelo sistema. Para conversão AC simples linear para cima e para baixo (por exemplo, com um transformador), ou conversão DC-DC linear (por exemplo, com um divisor de tensão), o fator de potência é igual à eficiência do sistema quando não há potência reativa. Neste caso, a correção do fator de potência simplesmente envolve adicionar algum avanço de fase ou atraso de fase ao sistema para que a corrente desenhada pelo sistema esteja perfeitamente em fase com a tensão de entrada.

Para conversão AC-DC e regulação subsequente, a situação é mais complicada devido à presença de componentes não lineares. Aqui, componentes não lineares, como os diodos usados em um retificador, produzirão distorção harmônica na forma de onda da corrente na entrada para o estágio do regulador. Na essência, a única vez que a corrente é desenhada para a seção do retificador é quando os diodos no retificador estão conduzindo, produzindo um pulso de corrente para o sistema.

Isso é mostrado nas formas de onda de exemplo abaixo para um sistema com um retificador, medido antes do capacitor de suavização. A curva azul mostra a tensão AC retificada que é entrada para o capacitor de suavização, e a curva vermelha mostra a corrente desenhada sempre que os diodos no retificador conduzem.

Formas de onda de tensão e corrente em um retificador antes dos estágios do capacitor/regulador de suavização.

Por que isso deveria acontecer? Note que os diodos no retificador, sendo componentes não lineares, efetivamente mudam sua resistência DC entre estados altos e baixos uma vez que a tensão de entrada excede algum limiar, então ele só atrai corrente significativa quando a tensão retificada fica alta o suficiente. É por isso que a corrente de entrada durante a retificação aparece como pulsos, em vez de uma onda senoidal retificada. Isso cria distorção harmônica na rede AC, que deve ser mantida abaixo de algum nível especificado, pois um THD alto basicamente desperdiça energia em outros lugares na rede. Neste exemplo, suponha que o fator de potência do sistema seja de 60% e a eficiência teórica do seu regulador seja de 95%; a eficiência real será de 60% x 95% = 57%. Isso deve mostrar como, em estratégias de regulação de potência em cascata, um baixo fator de potência/eficiência em um bloco diminuirá a eficiência em todos os blocos a jusante. Ao adicionar um circuito de correção do fator de potência, você está suavizando a atração de corrente para o estágio regulador de tensão a jusante regulador de tensão de modo que ele se aproxime mais da forma de onda de tensão verdadeira, o que aumenta a eficiência total da seção de fornecimento de energia.

Selecionando um CI de Correção de Fator de Potência

Ao adicionar um CI de correção de fator de potência entre a saída do retificador e seu estágio regulador a jusante, você está aproximando o fator de potência geral do sistema de 1. Componentes COTS podem trazer o fator de potência muito próximo de 1. Há outras classificações a observar ao selecionar um CI de correção de fator de potência:

• Classificações máximas de tensão e corrente: CIs de correção de fator de potência não são projetados para sistemas de alta tensão/alta potência. Preste atenção nessas classificações para evitar que o chip queime. Note que o fator de potência de um CI real pode ser uma função

• Topologia: Circuitos PFC podem ter topologia buck ou boost. Você poderia construir um PFC buck-boost, mas isso não é comumente usado, pois normalmente é necessário aumentar ou reduzir a potência da rede AC. O diagrama de blocos para esses CIs basicamente parece exatamente como um

• Frequência de modulação: Um CI de correção de fator de potência usa um sinal PWM de comutação para atrair periodicamente corrente para o circuito PFC em sincronização com a forma de onda de tensão de entrada. Esta ação de comutação suavizará a corrente atraída do estágio retificador. Os valores típicos estão na faixa de 100 kHz. Alguns CIs fornecerão este sinal PWM como uma saída para uso em um regulador de comutação a jusante.

• Modo de condução: Existem três modos de condução disponíveis: modo de condução contínua (CCM), modo de condução crítica (CrCM) e modo de condução descontínua (DCM). Isso se relacionará com o método de modulação (PWM ou PFM), sendo o PWM bastante comum.

Aqui estão alguns dos CIs de correção de fator de potência que você encontrará no mercado:

Analog Devices, LT1509

O LT1509CSW da Analog Devices converte uma saída de alta tensão não regulada em uma saída de baixa tensão isolada usando PWM. O ciclo de trabalho é limitado internamente a 47% para evitar a saturação do transformador. Este componente sincronizará internamente o sinal PWM com a seção controladora PFC para garantir a máxima correção do fator de potência (fator de potência nominal de 99%). A tensão de alimentação de entrada é classificada de 11,5 a 25 V com saída nominal de 7,5 V graças a um circuito integrado de tensão de referência.

Diagrama de bloco do IC de correção de fator de potência LT1509. Do datasheet do LT1509.

ON Semiconductor, NCL30030B3DR2G

O NCL30030B3DR2G da ON Semiconductor fornece correção de fator de potência e regulação integradas (topologia flyback de modo de corrente quase-resonante) em sistemas que requerem kW de potência. Este componente específico foi projetado para acionar bancos de LEDs, mas pode servir a outros propósitos que requerem alta saída de potência. O estágio PFC fornece valores de fator de potência próximos a 1 em CrCM com baixa distorção harmônica. A tensão de alimentação nominal varia de 40 a 700 V com saída de 210V/4A.

Texas Instruments, UC3854BDW

O IC de correção de fator de potência UC3854BDW da Texas Instruments opera em CCM e aceita uma tensão de alimentação de 10 a 20 V (máximo absoluto de 22 V). Este IC contém um oscilador PWM integrado de 200 kHz com uma referência interna de 7,5 V para comutação e suavização. A saída é reduzida para 5V/1.2A com menos de 3% de distorção da corrente de linha. Este IC também está disponível em embalagens de 16 pinos PDIP, SOIC largo, CDIP e PLCC de 20 pinos.

Diagrama de bloco do IC de correção de fator de potência UC3854BDW. Do datasheet do UC3854BDW.

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