Zasilacze małej mocy. Nadchodzi czas korygowania współczynnika mocy

Rys. 1. Zasilacz z prostownikiem jest nieliniowym obciążeniem sieci energetycznej

Do niedawna korekcję współczynnika mocy (PFC - Power Factor Correction) aplikowano tylko urządzeniom dużej mocy, głównie silnikom elektrycznym, potem w dalszej kolejności wymagania objęły zasilacze impulsowe dużej mocy. O ile kiedyś sieć elektryczna była obciążana mocą bierną głównie przez przemysł, o tyle teraz szybko rośnie udział indywidualnych odbiorców energii.

Coraz powszechniej używane są fluorescencyjne i półprzewodnikowe źródła światła, wyposażone w impulsowe przetworniki z prostownikiem i filtrem pojemnościowym na wejściu. W rezultacie problemy obciążeń i mocy o charakterze zespolonym pojawiły się w obszarze elektroniki powszechnego użytku. Współczynnik mocy jest stosunkiem mocy rzeczywistej do mocy pozornej.

Jeśli napięcie i prąd są sinusoidalne i w fazie, współczynnik mocy jest równy jedności, a obciążenie rzeczywiste. Jeśli między prądem a napięciem występuje przesunięcie fazowe, to współczynnik mocy jest równy kosinusowi kąta fazowego, a obciążenie ma charakter zespolony.

Prostowniki z kondensatorem filtrującym zniekształcają sinusoidalny kształt pobieranego prądu, powodując wprowadzanie do sieci harmonicznych i zwiększają moc pozorną. Sinusoidalność przebiegów jest zachowana, jeśli rezystywne, pojemnościowe i indukcyjne składowe obciążenia są liniowe.

Pasywna korekcja współczynnika mocy w sieci energetycznej jest stosunkowo prosta, osiągnięcie z jej pomocą współczynnika mocy większego od 0,7 jest trudne, ale możliwe, jednak przepisy wymagają 0,9, a nawet więcej. Przyłącza się do sieci w tym celu duże kondensatory korekcyjne o napięciu znamionowym minimum 400 V.

Tabela 1. Kryteria dla zasilaczy wielowyjściowych Climate Savers wg Energy Star

Potocznie kojarzy się czasem korekcja współczynnika mocy z poprawą sprawności, a nawet ze stabilizacją napięcia, ale jest to zupełnie bezpodstawne. Zysk energetyczny wynika jedynie z mniejszego obciążenia przewodów zasilających, które przy wysokim współczynniku mocy nie są źródłem dodatkowych strat ciepła wynikających z różnicy między mocą rzeczywistą a pozorną.

O wyborze metody korekcji decyduje projektant, bowiem przepisy precyzują jedynie wymagania co do wartości współczynnika mocy i zawartości harmonicznych (tabele 1 i 2).

Korekcja PFC

Rys. 2. Zestawienie przebiegów napięcia i prądu w prostowniku z rysunku 1 pokazuje potrzebę korekcji współczynnika mocy

Zasilacz impulsowy z dwupołówkowym prostownikiem (rys. 1) jest widziany przez sieć energetyczną jako impedancja zespolona i nieliniowa. Przebiegi prądu i napięcia w tym układzie przedstawiono na rysunku 2. Prąd ładujący kondensator płynie w nim w postaci krótkich impulsów, co jest przyczyną powstawania silnych zakłóceń harmonicznych (THD) wprowadzanych do sieci.

Przebieg prądu byłby bardziej zbliżony kształtem do przebiegu napięcia, gdyby kondensator był ładowany przez większość każdego półokresu, a mniejsza pojemność kondensatora nie obniżałaby współczynnika mocy. Ale jakość tak skonstruowanego prostownika byłaby nieakceptowalna.

Do korekcji współczynnika mocy prostownika musi zatem zostać użyty układ dodatkowy, który oprócz poprawy współczynnika mocy nie powinien obniżać sprawności energetycznej i powodować wzrostu emisji zaburzeń elektromagnetycznych. Zasilacze AC/DC z korekcją konfigurowane są jako układy dwustopniowe lub jednostopniowe.

W układzie dwustopniowym napięcie sieciowe zasila przetwornik AC/DC, składający się z mostkowego prostownika i konwertera przekształcającego wyprostowane napięcie sieci na napięcie stałe o wartości ok. 400 V. Drugim stopniem jest izolujący elektrycznie stabilizowany przetwornik napięcia DC/DC obniżający napięcie.

Takie rozwiązanie, o dwóch oddzielnych stopniach, jest proste i łatwe w serwisie. Ale wraz z rozpowszechnianiem się układów PFC coraz częściej stosowany jest układ jednostopniowy, realizowany w jednym chipie. Układy scalone z zasilaczami i korekcją PFC w jednym stopniu doskonale nadają się do źródeł światła z diodami LED.

Rys. 3. Mikrokontroler wykonuje funkcję PFC, tak sterując prądem, że jego przebieg przybiera kształt będącej w fazie z napięciem sinusoidy. W C2000 firmy TI jedna z pętli sterujących służy do nadawania kształtu sinusoidalnego prądowi wejściowemu z częstotliwością 100 kHz, a druga z pętli sterujących, wolniejsza, stabilizuje napięcie wyjściowe. Pasmo działania C2000 wystarcza do wykonywania oprócz tego wielu innych jeszcze zadań w systemie

Dwustopniowe zwykle składają się z dwóch oddzielnych układów scalonych, układu PFC i układu ze sterownikiem LED, zawierającym obwód zasilania diody i jej ściemniania. Układ pojedynczy z PFC nie wymaga dodatkowych komponentów i zawiera wszystkie zespoły w jednym chipie. Stosowanie do źródeł światła z LED rozwiązania z bierną korekcją jest tylko pozornie tańsze.

Kondensator w filtrze wejściowym musi wytrzymywać napięcie 400 V. W rozwiązaniu aktywnym wymagany jest jeden kondensator na 40 V, a oprócz tego jego żywotność jest pięciokrotnie dłuższa z uwagi na znacznie mniejsze obciążenie okładzin prądem impulsowym.

Aktualne wymagania Energy Star dla energetycznie sprawnych źródeł światła wymagają współczynnika mocy o wartości 0,7 w oświetleniu mieszkaniowym i 0,9 w przemysłowym, ale wydaje się, że współczynnik ten powinien wynosić 0,9 dla wszystkich źródeł o mocy wyższej od 5 W, tak jak jest w Europie.

Wymaganie minimalnej wielkości współczynnika mocy idzie w parze z rosnącymi w przemyśle wymaganiami podwyższonej sprawności zasilaczy wprowadzonymi na terenie UE, zdwajające nacisk na projektantów. Rozwijają się więc prace nad układami wysoko sprawnych przetworników AC/DC zintegrowanych z PFC.

Aktywne układy PFC działają w trybie nieciągłego przewodzenia prądu (DCM discontinuous-conduction mode), trybie ciągłego przewodzenia (CCM - continuous-conduction mode) lub w trybie krytycznego przewodzenia (CRM - critical-conduction mode). Rozmaici producenci układów scalonych mają jeszcze inne własne metody sterowania typu CRM, jak tryb przewodzenia granicznego BCM (boundary-conduction mode) i tryb przejściowy TM (transition mode).

"Przewodzenie prądu" odnosi się w tym przypadku do prądu płynącego przez indukcyjność korektora PFC. W zasilaczach małej mocy zwykle stosuje się sterowanie w trybie DCM. Z kolei CCM nadaje się do różnych mocy, ale powrót do stanu normalnego diody wyjściowe, gdy zaczyna przewodzić MOSFET, jest w nim twardy, co w taniej standardowej diodzie może wywoływać duże straty mocy i powodować generowanie zaburzeń.

Trzeba wtedy stosować lepszą i droższą diodę, na przykład z węglika krzemu, co podraża koszt realizacji. Natomiast w układach BCM MOSFET jest przełączany bez "udziału" prądu w diodzie, pozwalając na użycie tanich krzemowych prostowniczych diod wyjściowych.

Tabela 2. Kryteria współczynnika mocy dla półprzewodnikowych źródeł światła Energy Star

Ale za to w BCM układ jest bardziej złożony, wykorzystuje zmienną częstotliwość przełączania, a dodatkowo z powodu wyższego prądu szczytowego w tranzystorze straty są wyższe przy wyższej mocy, co ogranicza moc układów korekcji działających w trybie BCM do ok. 300 W. Akurat w przypadku zasilaczy małej mocy i zasilaczy do oświetlenia LED to nie jest przeszkodą.

Niemniej warto odnotować w tym miejscu, że w ostatnich miesiącach Fairchild, ON Semiconductor i Texas Instruments wypuściły na rynek innowacyjne scalone wielofazowe sterowniki PFC pracujące w trybie BCM, które łączą w jednym układzie dwa lub więcej stopni mocy typu BCM, osiągając moc 1 kW lub większą przy zmniejszonym prądzie wyjściowym tętnień i umożliwiają użycie mniejszych gabarytowo indukcyjności.

W porównaniu z kosztem całego stopnia zasilacza cena kontrolera PFC, zawierającego indukcyjność i wszystkie składniki sterownika zasilacza, nie jest wygórowana. Poza tym układ z przeplotem jest tańszy, ponieważ przetwarzany prąd tętnień jest mniejszy, co umożliwia użycie mniejszego dławika.

Korektory z cyfrowym układem sterującym

Scalone sterowniki korektorów współczynnika mocy stają się popularnym na rynku produktem i coraz częściej są optymalizowane pod kątem zasilaczy impulsowych małej mocy. Układy te wykorzystują coraz częściej cyfrowe sterowanie pracą, które dodatkowo poprawia parametry i zwiększa funkcjonalność korektora.

Na przykład firma Cirrus Logic oferuje układy cyfrowych korektorów CS1500 i CS1600 DCM, przeznaczone do zasilaczy do 300 W. CS1500 są adresowane do zasilaczy w laptopach, cyfrowych telewizorach i komputerach, a CS1600 właśnie do półprzewodnikowych źródeł światła.

Przy cenie 0,3 dolara za chip (w dużych partiach) są one kosztowo porównywalne z tradycyjnymi analogowymi układami korektorów PFC, wymagając o 30% mniej dodatkowych komponentów, również do tych niezbędnych do filtracji EMI. Oferują ponadto współczynnik mocy wyższy od 0,95, zależnie od napięcia sieci i od obciążenia.

Jednostopniowym cyfrowym aktywnym układem do korekcji PFC jest również sterownik LED iW3620 firmy iWatt, zaś Texas Instruments proponuje do tego celu układy DSP z serii C2000 Piccolo.

Użycie DSP do korekcji mocy jest uzasadnione w bardziej złożonych aplikacjach, gdzie jest już wykorzystywany procesor sygnałowy. Wówczas dodanie korektora może być dodatkiem bez konieczności rozbudowy platformy sprzętowej o nowy sterownik (rys. 3).

Dostawcy energii elektrycznej a PFC

Niektórzy dostawcy energii elektrycznej dokonują korekcji współczynnika mocy, przyłączając o ustalonych porach do swoich sieci baterie kondensatorów. W dzielnicach mieszkaniowych zapotrzebowanie na energię silnie wzrasta w porze powrotów znacznej liczby mieszkańców z pracy do domów.

W podstacjach energetycznych automatycznie przyłącza się wtedy do sieci kondensatory i odłącza je po godzinie lub dwóch. Taki sposób korekcji nie wymaga żadnej specjalnej regulacji, niemniej to tylko półśrodek. (KKP)