Понимание различных методов коррекции коэффициента мощности для AC/DC преобразователей

Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2012

Ashok Bindra, Electronic Products

Digi-Key

По определению, коэффициент мощности (Power Factor – PF) источника переменного тока – это отношение активной мощности в ваттах, подаваемой в нагрузку, к подводимой к нему кажущейся (полной) мощности, вычисляемой как произведение тока на напряжение. Коэффициент мощности можно представить в виде

Из выражения видно, что коэффициент мощности может принимать значения между 0 и 1. Следовательно, когда ток и напряжение синусоидальны и находятся в фазе, коэффициент мощности равен 1. Однако, если ток и напряжение синусоидальны, но их фазы сдвинуты друг относительно друга, кажущаяся мощность будет больше активной мощности, и в этом случае коэффициент мощности равен косинусу угла сдвига фаз между током и напряжением. Коэффициент мощности, равный 1, – это идеальный случай, когда нагрузка чисто резистивная и линейная. В реальности использующиеся в электронных системах оффлайновые AC/DC источники питания являются импульсными и представляют собой нелинейную нагрузку.

В настоящее время чаще всего используются именно импульсные источники питания, искажающие синусоидальную форму входного тока и напряжения и приводящие к сдвигу фаз между ними. Когда фазы тока и напряжения не совпадают, коэффициент мощности оказывается меньше 1. Кроме потерь коэффициент мощности меньший единицы вызывает появление гармоник, которые смещают напряжение нейтрали и отрицательно влияют на работу других устройств, подключенных к сети. Чем меньше коэффициент мощности, тем выше содержание гармоник в сети переменного тока, и наоборот.

Именно по этой причине существуют строгие правила, ограничивающие уровень нелинейных искажений, допускаемых в сетях переменного тока. Например, в Европе был разработан стандарт EN61000-3-2 [1], определяющий допуск по отражению гармоник от электронных устройств обратно в электросеть. Он применим ко всем электронным системам класса D (компьютеры, ноутбуки, мониторы, радиоприемники и телевизоры), потребляющим более 75 Вт. Класс D – это одна из категорий (A, B, C, D) электронных устройств, установленных стандартом EN61000-3-2, который регламентирует различные допуски по нелинейным искажениям тока для каждого класса. Этот стандарт в настоящее время принят на международном уровне.

Чтобы удовлетворять требованиям стандартов в отношении уровня нелинейных искажений и поддерживать высокое значение коэффициента мощности, в модулях AC/DC преобразователей, питающих электронные устройства с потреблением более 75 Вт, необходимо использовать коррекцию коэффициента мощности (PFC – power-factor correction). Внедрение корректора позволяет обеспечить высокое значение коэффициента мощности и гарантирует снижение гармоник в сети переменного тока. Существует много схем пассивных и активных корректоров коэффициента мощности (ККМ), доступных для различных топологий входных частей источников питания.

Пассивные корректоры коэффициента мощности

Самым простым способом контроля гармоник тока является использование пассивного фильтра, пропускающего ток только на частоте сети (50 Гц или 60 Гц) [2]. Этот фильтр ослабляет гармонические составляющие тока, и подключенное в сеть нелинейное устройство теперь выглядит более похожим на линейное. С помощью фильтра, построенного на конденсаторах и индуктивностях, коэффициент мощности может быть доведен до значений, близких к единице. Однако недостаток такого решения – необходимость использования сильноточных катушек и высоковольтных конденсаторов, занимающих много места и весьма дорогих.

Рисунок 1.	Из сопоставления кривых видно, что активный контроллер ККМ в источнике питания значительно превосходит пассивный корректор, с большим запасом перекрывая требования спецификации EN/IEC61000-3-2 по уровню гармоник в сети переменного тока. (Информация предоставлена компанией ON Semiconductor).

На Рисунке 1 демонстрируются входные гармоники для трех различных компьютерных источников питания мощностью 250 Вт на фоне ограничений, накладываемыми спецификациями EN/IEC61000-3-2 для устройств класса D. Амплитуды гармоник пропорциональны входной мощности этих устройств. Пассивный ККМ обеспечивает соответствие стандарту только по уровню третьей гармоники. Источник питания со схемой активного ККМ не только отвечает спецификации EN/IEC61000-3-2, но и значительно превосходит ее требования.

Несмотря на простоту схемотехнических решений и использования, схемы пассивных ККМ имеют ряд недостатков. Во-первых, габариты катушки индуктивности накладывают ограничения на их применение во многих приложениях. Во-вторых, чтобы обеспечить возможность использования устройства в любых странах, потребуется переключатель диапазонов напряжения питания. Это повышает риск выхода прибора из строя вследствие ошибки пользователя при установке переключателя. Наконец, напряжение питания не регулируется, что сказывается на стоимости и эффективности работы DC/DC преобразователя, установленного после схемы ККМ.

Активные корректоры коэффициента мощности

Помимо хороших характеристик, рост цен на медь и материалы магнитных сердечников, в сочетании с постоянным снижением стоимости полупроводниковых элементов, склоняют чашу весов в пользу активных ККМ, даже для самых чувствительных к стоимости потребительских устройств. В следующей схеме (Рисунок 2), активный ККМ включен между входным выпрямителем и накопительным конденсатором, за которым находится DC/DC преобразователь. Микросхема ККМ с соответствующими элементами формирует входной ток, повторяющий форму входного напряжения, что позволяет достичь значения коэффициента мощности 0.9 и выше.

Рисунок 2.	Схема активного контроллера ККМ расположена между входным выпрямителем и накопительным конденсатором. (Информация предоставлена компанией ON Semiconductor).

Существуют три основных класса микросхем активных контроллеров ККМ, отличающихся режимом работы:

• режим критической проводимости (Critical-Conduction Mode – CrM),
• режим непрерывной проводимости (Continuous-Conduction Mode – CCM),
• режим прерывистой проводимости (Discontinuous-Conduction Mode – DCM).

Подобные контроллеры предлагаются несколькими производителями, причем каждый использует собственную аргументацию для обоснования целесообразности и области применения той или иной микросхемы.

Схема управления с режимом критической проводимости удерживает ток катушки индуктивности на границе между непрерывной и прерывистой проводимостью. Некоторые производители предпочитают называть такой режим режимом граничной проводимости (Boundary-Conduction Mode – BCM). Так как форма волны тока в этой схеме всегда известна, известно и соотношение между средним и пиковым током. Компания ON Semiconductor производит разнообразные микросхемы ККМ с управлением по напряжению в режиме критической проводимости для источников питания средней мощности (до 300 Вт). Одни из последних представителей этой категории приборов – контроллеры MC34262/MC33262.

Еще один изготовитель CrM контроллеров ККМ – компания Fairchild Semiconductor. В одном корпусе ее микросхемы FAN6920MR объединены CrM контроллер ККМ и квазирезонансный контроллер ШИМ. Для коррекции коэффициента мощности в микросхеме используется метод управления временем включения, позволяющий одновременно выполнять функции ККМ и регулировать выходное напряжение.

Вследствие уменьшенного уровня пиковых токов, снижения пульсаций и упрощения фильтрации, режим непрерывной проводимости широко используется во многих приложениях средней и высокой мощности. Некоторые ключевые производители предлагают контроллеры ККМ, работающие в режиме CCM, включая Fairchild Semiconductor, Infineon Technologies, International Rectifier, NXP Semiconductor, ON Semiconductor, Power Integrations и Texas Instruments.

Режим прерывистой проводимости предпочтителен для устройств малой и средней мощности. В этой области при создании активного контроллера ККМ компания Cirrus Logic внедрила цифровые технологии, позволившие исключить ряд внешних компонентов, необходимых при аналоговой реализации режима, и предложить малозатратное решение для источников питания ноутбуков, компьютеров и цифровых ТВ приемниках. Для достижения близкого к единице коэффициента мощности и снижения уровня электромагнитных излучений в микросхеме CS1500 (Рисунок 3) используются алгоритмы управления временем включения и рабочей частотой.

Рисунок 3.	Цифровой контроллер ККМ компании Cirrus Logic реализует адаптивный цифровой алгоритм для формирования входного переменного тока, повторяющего форму входного напряжения.

Заключение

Под влиянием жестких требований стандартов, таких как EN/IEC61000-3-2 и некоторых из его глобальных производных, количество изготовителей контроллеров ККМ за последние годы увеличилось, предоставив разработчикам больше возможностей для создания решений с коэффициентом мощности близким к единице при небольших затратах и с минимальным количеством компонентов. Мы исследовали топологию как пассивных, так и активных корректоров коэффициента мощности и представили несколько контроллеров, достойных особого внимания.

Ссылки

1. Harmonic Current Emissions Guidelines to the standard EN 61000-3-2 http://www.epsma.org/pdf/PFC%20Guide_November%202010.pdf
2. “Basics of Power Factor Correction (PFC),” by ON Semiconductor and Dhaval Dalal, ACP Technologies http://www.eetimes.com/design/power-management-design/4215413/The-basics-of-power-factor-correction--PFC--Part-1-of-3