Wie funktioniert die aktive Leistungsfaktorkorrektur in Computernetzteilen?

Ich suche keine sehr detaillierte Erklärung (obwohl es willkommen wäre). Ich bin eher darauf bedacht, intuitiv zu verstehen, wie es funktioniert.

Grundsätzlich in Computer-Netzteil habe ich Eingang, gefolgt von Filtern, gefolgt von PFC-Schaltung, gefolgt von Schalter, gefolgt von Transformator, gefolgt von gleichgerichteten und am Ende habe ich Ausgangsfilter und Verbraucher. Nach dem, was ich gelesen habe, steuert derselbe PWM-Schaltkreis, der den Schalter steuert und die Spannung am Ausgang regelt, auch die aktive Leistungsfaktorkorrektur.

Was ich nicht verstehe, ist die Art und Weise, wie der Leistungsfaktor tatsächlich korrigiert wird.

Hier ist ein Bild:

Wie funktionieren diese beiden Transistoren hier und wie würde der PFC-Controller feststellen, dass der Leistungsfaktor schlecht ist?

Ich weiß, dass der Leistungsfaktor normalerweise mit Spulen und Kondensatoren korrigiert wird, und ich sehe beide hier, aber ich verstehe nicht, was tatsächlich passiert, wenn einer der Transistoren zu leiten beginnt, warum zwei Transistoren benötigt werden und wie sich dies auf den Leistungsfaktor auswirkt.

Der Leistungsfaktor wird verwaltet ("korrigiert" ist wirklich der falsche Begriff, obwohl er der übliche ist), indem der Strom der Spannung folgt. In Ihrem Schaltplan ist die Busspannung etwas höher als die Spitzenwerte für die AC-Wellenform. Die Induktivität, die FETs, die Diode und der Kondensator bilden einen Aufwärtswandler. Dieser Wandler nimmt die gleichgerichtete Eingangswechselspannung auf und stellt die Busspannung her.

Wenn die Steuerung nur die Ausgangsspannung regeln würde, würde kein PFC stattfinden. Stattdessen wird der durchschnittliche Strom durch die Diode so geregelt, dass er proportional zur augenblicklichen gleichgerichteten Eingangswechselspannung ist. Denken Sie daran, dass bei einer aus Sicht des Leistungsfaktors idealen Last der Strom mit der Spannung in Phase ist. Eine andere Sichtweise ist, dass die Belastung der Wechselstromleitung resistiv aussehen muss. Genau wie bei einem echten Widerstand möchten Sie den Strom proportional zur Spannung halten.

Das widerspricht natürlich der Regulierung der Busspannung. Dies wird durch ein schnelles Ansprechen auf die Eingangswechselspannung, aber ein viel langsameres Ansprechen auf das Regeln der Busspannung erreicht. Mit anderen Worten, die Wechselstromleitung sieht immer noch einen Widerstand, aber der Widerstandswert wird langsam nach Bedarf geändert, um die Busspannung in der Nähe ihres Zielwerts zu halten.

Sie können meine Beschreibung der digitalen PFC-Steuerung überprüfen, um mehr Hintergrundinformationen zur PFC zu erhalten und eine Möglichkeit zu finden, wie ich den Strom proportional zur Spannung halten kann, ohne den Strom messen zu müssen. Ich habe ein Patent darauf, das auch die Verwendung digitaler Berechnungen zur genaueren Steuerung der Busspannung einschließt. Mit ein wenig Rechenleistung können Sie feststellen, welche Welligkeit auf dem Bus durch das Folgen der Netzwechselspannung verursacht wird, und dann bestimmen, was sich aufgrund der unterschiedlichen Lastanforderungen geändert hat. Dies ermöglicht eine Anpassung, um Änderungen schneller als beim herkömmlichen Ansatz zu laden, ohne die PFC-Funktion zu beeinträchtigen.

Vereinfacht:

• der PFC-Controller "weiß" nicht, ob der Leistungsfaktor "schlecht" ist, er garantiert, dass der Leistungsfaktor gut ist
• Das Vorhandensein von zwei Transistoren ist für den Betrieb des Aufwärtswandlers irrelevant (beide werden gleichzeitig ein- und ausgeschaltet sein).
• Die passive Leistungsfaktorkorrektur mit Spulen und Kondensatoren unterscheidet sich grundlegend von der aktiven Leistungsfaktorkorrektur

Das kanonische Papier über aktive PFC von Philip C. Todd gibt eine sehr detaillierte Erklärung der Funktionsweise von PFC. Auch wenn es für einen archaischen Controller (den UC3854) geschrieben wurde, sind die Ideen immer noch relevant und die Grundlage für viele moderne aktive PFC-Implementierungen.

Der Hauptzweck eines aktiven PFC-Reglers besteht darin, die aus dem Netz entnommene Last resistiv erscheinen zu lassen. Offensichtlich ist die nachgeschaltete Last in den meisten Fällen ohmsch (normalerweise eine Last mit konstanter Leistung wie ein DC / DC-Wandler). Der PFC-Regler kann eine Leistungsfaktorkorrektur erzielen, indem er die Wechselstromwellenform erfasst und das Tastverhältnis eines Wandlers (normalerweise eine Verstärkung) so moduliert, dass es wie ein Widerstand wirkt. An den Nulldurchgängen keinen Strom und am Wechselstrom den maximalen Strom entnimmt Spitzen.

Bei der passiven PFC (den von Ihnen beschriebenen Spulen und Kondensatoren) wird ein großer Tiefpassfilter auf das Netz aufgesetzt, um der nicht idealen Belastung entgegenzuwirken. Es sind keine "smarts" beteiligt.

In der Abbildung fehlen die von einem typischen PFC-Controller verwendeten Sensornetzwerke:

• die Eingangs-AC-Wellenformabtastung
• die Ausgabe DC Sensing
• der MOSFET-Strom

Die Wellenformabtastung liefert ein Signal an den PFC-Regler, üblicherweise in Form eines Stroms, der die Wechselstromwellenform nach dem Brückengleichrichter darstellt. Der PFC-Controller verwendet diesen Wellenform-Eingang, um den Arbeitszyklus des Wandlers zu steuern.

Die DC-Ausgangserfassung ist eine langsame Spannungsschleife (normalerweise unter 20 Hz), die die Leistungsregelung des Aufwärtswandlers aufrechterhält. Es muss eine niedrigere Bandbreite als der AC-Wellenform-Eingang haben, sonst funktioniert PFC nicht.

Die MOSFET-Stromerfassung ist eine schnelle Stromschleife, die für die Strommodussteuerung verwendet wird.

"Leistungsfaktor" bezieht sich auf zwei verschiedene Aspekte:

• der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung (mehr Phasendifferenz = geringere abgegebene Leistung im Vergleich zu I * V)

• die durch nichtlineare Lasten verursachte Stromverzerrung: Scheitelfaktor = Spitzenstrom / Effektivstrom kann viel größer sein als der Quadratmeterwert (2) für Sinuswellen, was zu Harmonischen führt, die mehr Verlustleistung im Übertragungsnetz des Energieversorgers verursachen.

Eine PFC-Schaltung in einem Netzteil adressiert in erster Linie die zweite davon. Wenn Sie die Induktivität + die MOSFETs in diesem Diagramm loswerden, erhalten Sie eine sehr hohe Last mit Scheitelfaktor: Die Diode zieht große "Stromstöße" in den Kondensator.

Die PFC-Schaltung versucht, das Stromnetz gegen dieses abzuschirmen, indem sie den Strom durch die Induktivität in eine gleichgerichtete Sinuswelle (in Phase mit der Spannung) umwandelt, so dass der Strom am Stromnetz wie eine Sinuswelle aussieht.

Warum werden zwei Transistoren benötigt? Das ist kein Implementierungsdetail (möglicherweise ist es kostengünstiger, zwei kleinere MOSFETs in einem gemeinsamen Gehäuse zu verwenden, als einen größeren MOSFET in einem ungewöhnlichen Gehäuse).

Die Steuerschaltung schaltet den MOSFET ein, der den Strom durch die Induktivität erhöht. Durch Ausschalten des MOSFET kann der Strom in die Last fließen, wodurch der Strom im Allgemeinen abnimmt. Die Steuerschaltung beschließt, sie ein- und auszuschalten, um den Strom durch die Induktivität zu steuern - als gleichgerichtete Sinuswelle, wie ich bereits sagte.

Es auch regelt die Spannung am Ausgang.

Dies erfordert etwas mehr Komplexität als beispielsweise ein gewöhnlicher DC / DC-Wandler sowie mehr Energiespeicherkapazität sowohl im Induktor als auch im Kondensator.