Leistungsfaktorkorrektur

Wir kommen nun auf die Frage zurück, wohin die Blindleistung geht. Bei den Wellenformen der Eingangsspannung und des Stroms (Effektivwert) handelt es sich um sinusförmige Wellenformen, die sich als eine unendliche Reihe periodischer Funktionen mit harmonischen Frequenzen der Grundwelle darstellen lassen (diese Oberwellen werden Fourier-Reihe genannt [2]). Die geradzahligen Oberschwingungen heben sich auf, so dass die gesamte harmonische Energie nur bei den ungeradzahligen Oberschwingungen zu sehen ist.

Die meiste Energie wird bei der dritten Oberwelle (d.h. der ersten ungeraden Oberwelle nach der Grundwelle) freigesetzt und nimmt tendenziell ab, wenn Sie in der Reihe nach oben gehen. Diese Oberschwingungen verursachen Verzerrungen in den Wellenformen der Eingangsspannung und des Stroms, deren Summe als Gesamtverzerrung (Total Harmonic Distortion - THD) bezeichnet wird. Ein niedriger PF bedeutet eine größere Verzerrung auf der Eingangsleitung, weshalb für Anwendungsfälle, in denen viele Netzteile auf demselben Eingangskreis installiert werden, höhere PF-Mindestanforderungen gelten. HINWEIS: Stromversorgungslösungen, die alle ordnungsgemäßen Grenzwerte einhalten, können dennoch die Qualität der Stromleitung beeinträchtigen, wenn sie auf zu viele Geräte skaliert werden. Selbst bei einem sehr hohen PF (d.h. >0,98) werden die kumulativen Effekte der reaktiven Komponenten bei einer ausreichend großen Anzahl von Geräten schließlich signifikant.

Wie weit man bei den Frequenzen gehen müssen, hängt von der Grundfrequenz ab, kann aber leicht bis zu den Funkfrequenzen (RF) reichen. Da diese HF-Energie als leitungsgebundene (zurück auf die Leitung) und abgestrahlte (in die Umgebung) elektromagnetische Energie ausgestrahlt wird, gibt es internationale Normen/Verordnungen, die die Einhaltung von Grenzwerten für die Emission elektromagnetischer Energie bei bestimmten Frequenzen regeln. Die folgende Tabelle fasst einige dieser Verweise zusammen und zeigt, wo sie zu finden sind. Die meisten beziehen sich auf die Grenzwerte für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und elektromagnetische Interferenzen (EMI), so dass Sie sich die verschiedenen Frequenzbereiche und Grenzwerte ansehen können, um zu verstehen, worauf Sie sich einlassen.


Während die meiste Aufmerksamkeit der Sicherstellung der EMV für das zu prüfende System oder Gerät (DUT) gilt, kann das DUT auch für externe HF-Emissionen aus der Umgebung empfindlich sein. Ein Beispiel für eine solche Anfälligkeit ist der Beschuss mit hochenergetischen Strahlungsteilchen (typischerweise aus dem Weltraum), der die Designer dazu veranlasst, Immunität (z.B. strahlungsgehärtet oder „rad-hard“, in diesem Beispiel) in ihre Designs einzubauen und Anfälligkeitstests als Teil des Qualifizierungsprozesses durchzuführen.

Wenn Sie sich an unsere CIVIL-Merkhilfe erinnern, bewirkt die Kapazität, dass die Stromwellenform der Spannungswellenform vorauseilt und umgekehrt für die Induktivität, was bedeutet, dass wir diese Elemente verwenden können, um den Phasenwinkel in die eine oder andere Richtung zu verschieben, um einen maximalen PF zu erreichen. Die direkte Verwendung dieser Energiespeicherelemente am Eingang eines Netzteils wird als passive PFC bezeichnet. Die Verwendung von Elementen mit einem Halbleiterschalter (im Wesentlichen das Hinzufügen eines zusätzlichen Schaltnetzteils am Eingang) wird als aktive PFC bezeichnet.

Die einfachste Form der passiven PFC ist das Hinzufügen einer Seriendrossel (auch bekannt als PFC-Drossel) vor der Wandlerstufe des Netzteils, wie in der Abbildung unten mit der resultierenden Wellenform dargestellt. Dies ist zwar einfach, hat aber den Nachteil, dass in der Regel eine größere/schwerere Drossel benötigt wird und der maximal erreichbare PF auf ~0,7 begrenzt ist (gegenüber ~0,4 ohne PFC). Außerdem muss die PFC-Drossel für einen begrenzten Eingangsspannungsbereich ausgelegt sein, was für die Entwicklung von Netzteilen mit Weitbereichseingang unerwünscht ist und wiederum eine größere/schwerere Lösung erfordert.

Aktive PFC-Lösungen schmälern die meisten der gerade erwähnten Nachteile ab. Die gängigste Topologie für aktive PFC ist der Aufwärtswandler (auch bekannt als Step-up oder boost stage). Innerhalb dieser Klasse der Leistungsumwandlung gibt es eine Handvoll Topologien (d.h. diskontinuierlicher Leitungsmodus (DCM), kontinuierlicher Leitungsmodus (CCM) und kritischer Leitungsmodus (CrCM) oder Boundary Mode) für die Implementierung von aktiver PFC, aber ein umfassender Überblick über diese Topologien würde den Rahmen dieser Diskussion sprengen und ist in [1] zu finden.

Ein Aufwärtswandler erhöht die Spannung am Eingangskondensator und hält ihn über einen weiten Spannungsbereich geladen, wodurch eine universelle AC-Kompatibilität unterstützt wird. Er wird versuchen, einen Einheits-PF zu erreichen, indem er sicherstellt, dass der durchschnittliche Eingangsstrom durch die PFC-Drossel der Eingangsspannung über eine der oben erwähnten Topologien genau folgt. Jede Topologie hat ihre eigenen Kompromisse in Bezug auf SWaP-Faktoren und EMI-Auswirkungen. Die Abbildung unten zeigt ein Beispiel für eine aktive PFC-Schaltung, die von einem speziellen Controller mit Eingangs- und Ausgangsspannungswellenformen gesteuert wird.

Eine modernere Variante der aktiven PFC macht sich eine einzigartige Eigenschaft von Galliumnitrid-Schaltern (GaN) zunutze, die (im Gegensatz zu Silizium-MOSFETs) keine Bodydiode hat, wodurch kein Stromfluss durch sie zustande kommt, somit kann eine effizientere PFC-Implementierung ermöglicht werden. Dies wird als brückenlose PFC (auch bekannt als Totem-Pol-PFC) bezeichnet. In der folgenden Abbildung sehen Sie eine Beispielschaltung mit dem zugehörigen Controller-Block, die den Unterschied zwischen GaN- und Si-Schaltern verdeutlicht.

Eine letzte Überlegung für PFC-Implementierungen besteht darin, die Vorteile von mehrphasigen Stromversorgungen zu nutzen, wie z.B. geringere Wärmeentwicklung und Komponentenbelastung, indem der von jedem Zweig verarbeitete Strom halbiert und am Ausgang phasenverschoben kombiniert wird. Die Größe einer PFC-Stufe wird maßgeblich durch die Wickelgüter bestimmt, mit der Aufteilung auf mehrere Phasen kann der Strom reduziert werden, damit auch die Baugröße.

Ganz gleich, ob man versucht, die EMV-Leistung zu maximieren und/oder eine akzeptable Leitungsqualität bei Verteilungen mit einer großen Anzahl von Geräten an einem einzigen Eingangsbus zu gewährleisten, PFC ist mehr als nur ein „Nice-to-have“-Feature und sollte als Teil einer Gesamtlösung für die Stromversorgung und den Einsatz ernsthaft in Betracht gezogen werden.