Pasywne i aktywne układy korekcji współczynnika mocy

Wady i zalety pasywnych układów korekcji PFC

Do zalet pasywnych metod korekcji współczynnika mocy zalicza się prostotę, niezawodność, brak emisji zaburzeń elektromagnetycznych o dużej częstotliwości oraz brak strat przełączania. Głównymi wadami układów tego typu są z kolei waga i rozmiary, zwłaszcza w przypadku filtrów częstotliwości sieciowej.

Problemem jest też brak możliwości regulacji napięcia oraz to, że kształt przebiegu prądu wejściowego zależy od obciążenia. Ponadto chociaż można wyeliminować harmoniczne prądu sieciowego, składowa podstawowa może być znacznie przesunięta w fazie w stosunku do przebiegu napięcia, co w efekcie zaniży wartość współczynnika mocy.

Rys. 5a. Układ korekcji współczynnika mocy z szeregowym obwodem rezonansowym

Rys. 5b. Przebiegi napięcia i prądu sieci w układzie z rysunku 5a

W przypadku układów z zestawem szeregowych obwodów rezonansowych tłumiących wybrane harmoniczne może też wystąpić rezonans równoległy, a wówczas wzmocnione zostaną inne harmoniczne.

W rezultacie skuteczność korekcji współczynnika mocy z wykorzystaniem komponentów biernych jest zwykle mniejsza niż w przypadku korekcji aktywnej (rys. 8). W tych pierwszych maksymalny osiągalny współczynnik mocy wynosi 0,8-0,95, natomiast w przypadku układów aktywnych można uzyskać jeszcze większą wartość tego parametru.

Aktywne korektory PF

Jako aktywne układy korekcji współczynnika mocy wykorzystywane są konwertery wstawiane za prostownikiem szeregowo z obciążeniem lub z kolejnym komponentem zasilacza, na przykład stopniem konwersji. Najczęściej w tym zastosowaniu używany jest przekształtnik w konfiguracji podwyższającej (boost converter).

Przykład takiego korektora PFC, który składa się z dławika (L), klucza tranzystorowego MOSFET (T), diody (D) i kondensatora (C) przedstawiono na rysunku 9. Na jego wejście doprowadzane jest wyprostowane napięcie z prostownika, a sygnałem wyjściowym jest regulowane napięcie stałe.

Rys. 6a. Układ korekcji współczynnika mocy z równoległym obwodem rezonansowym

Rys. 6b. Przebiegi napięcia i prądu sieci w układzie z równoległym obwodem rezonansowym z rysunku 6a dostrojonym do trzeciej harmonicznej częstotliwości sieciowej

Konwerter podwyższający może działać w trybie pracy ciągłej (Continuous Conduction Mode, CCM) lub przerywanej (Discontinuous Conduction Mode, DCM) w zależności od tego, jak zmienia się prąd dławika.

W pierwszym przypadku natężenie prądu cewki nigdy nie spada do zera, natomiast w drugim taka sytuacja może wystąpić. Zwykle korektorów PFC nie projektuje się do pracy w tym drugim trybie, ale w przypadku wystąpienia pewnych warunków (na przykład awarii, małego obciążenia lub przejścia przez zero napięcia wejściowego) przejście w tryb pracy nieciągłej może być nieuniknione.

Praca w trybie DCM skutkuje niestety wzrostem zawartości składowych harmonicznych oraz mniejszym współczynnikiem mocy. W korekcji PFC wykorzystuje się również tryb pośredni między CCM i DCM, tzw. BCM (Boundary Conduction Mode), określany też jako CRM (Critical Conduction Mode).

Korektory CCM i BCM

Na rysunku 10 przedstawiono przebieg prądu cewki przekształtnika w trybie ciągłym. Dzięki odpowiednio dobranej stałej częstotliwości przełączania klucza uzyskuje się piłokształtny przebieg tego prądu o wartości szczytowej proporcjonalnej do napięcia sieciowego.

Na rysunku przerywaną linią zaznaczono również średnią wartość tego prądu, która odwzorowuje przebieg napięcia sieci. W efekcie uzyskuje się współczynnik mocy bliski jedności.

Rys. 7a. Układ korekcji z zestawem obwodów rezonansowych dostrojonych do częstotliwości trzeciej i piątej harmonicznej

Rys. 7b. Przebiegi napięcia i prądu sieci w układzie z rysunku 7a

Ponieważ wartość amplitudy prądu dławika nie jest duża, w korektorze takim występują małe straty przewodzenia, ograniczone są też straty w rdzeniu oraz emisja zaburzeń elektromagnetycznych. Niestety ze względu na ciągły charakter prądu dławika w korektorach w trybie CCM w czasie przechodzenia diody w stan zablokowania występują straty energii.

By je zmniejszyć, należy używać diod z węglika krzemu (SiC), które w tym stanie charakteryzuje bardzo mały prąd upływu. Niestety są one znacznie droższe nie zwykłe krzemowe diody. Schemat korektora PFC w postaci przekształtnika w trybie BCM przedstawiono na rysunku 11.

Rys. 8. Porównanie przebiegów wejściowych w trzech zasilaczach komputerowych o mocy 250W, w których zastosowano różne metody korekcji współczynnika mocy

Rys. 9. Jako aktywny korektor PF wykorzystuje się przekształtniki w konfiguracji podwyższającej

Jego główne komponenty są takie same jak "zwykłego" przekształtnika podwyższającego, oprócz dodatkowego uzwojenia cewki wykorzystywanego do detekcji przejścia prądu przez zero. Wykrycie takiego stanu oznacza konieczność przełączenia klucza.

Na rysunku 12 ukazano przebiegi napięcia na bramce tranzystora i prądu cewki korektora PFC BCM dla połowy okresu częstotliwości sieciowej. Wynika z nich, że podobnie jak w przypadku przekształtnika o pracy ciągłej średnia wartość prądu cewki odwzorowuje przebieg napięcia sieci. Zasadnicza różnica dotyczy częstotliwości przełączania klucza, która jest zmienna.