Leistungsfaktorkorrektur PFC selektiv abschalten

PFC-Schaltungen arbeiten meist so, dass sich eine Stromversorgung gegenüber der Netzversorgung wie eine rein ohmsche Last verhält. Dieser an sich ideale Ansatz birgt jedoch ein Problem: In der Nähe des Nulldurchgangs der Netzspannung arbeitet die PFC-Stufe alles andere als optimal. Eine neuartige digitale Kontrollschaltung deaktiviert in dieser Zeit die PFC-Stufe einfach, wodurch dieses Problem umgangen wird und trotzdem alle EMI/EMV-Anforderungen erfüllt werden.

Über die letzten zwanzig Jahre hinweg haben Netzteilentwickler die Korrektur des Leistungsfaktors (Power Factor Correction, PFC) mit verschiedensten Schaltungen gelöst. Hauptaugenmerk lag dabei immer auf der Qualität der Kontrollschaltung des Wandlers und dem Ergebnis in Bezug auf Leistungsfaktor und Oberwellenanteilen am Eingang (Total Harmonic Distortion, THD). Während die am weitesten verbreitete Schaltung der nichtisolierte Aufwärtswandler ist, führte die Forderung nach niedrigen, isolierten Ausgangsspannungen zu der Entwicklung von isolierten, einstufigen Topologien.

Das allgemeine Konzept in PFC-Applikationen besteht darin, das Netzteil als rein ohmsche Last erscheinen zu lassen, sodass der Eingangsstrom genauso wie die Eingangsspannung sinusförmig ist. Dies hat jedoch folgende grundlegende Nachteile:

  • Nichtlückender Betrieb und Betrieb bei fester Frequenz ermöglichen ein optimales Design des Leistungskreises, allerdings geht der Wirkungsgrad beim Nulldurchgang der Wechselspannung gegen Null. 
  • Lückender Betrieb und Betrieb bei variabler Frequenz ermöglichen einen höheren Wirkungsgrad, jedoch sind der Leistungskreis sowie die magnetischen Komponenten weit vom optimalen Design entfernt. 
  • Hybridansätze (Burst-Modus, Hysteresen etc.) stellen neue Herausforderungen bei der EMI- und EMV-Zulassung. 

Um diese Einschränkungen zu minimieren, liegt seit einiger Zeit der Fokus auf grundsätzlich neuen Ansätzen, bei denen einige reaktive Komponenten aktiv moduliert werden und eine bessere Performance auf Kosten eines niedrigeren Leistungsfaktors und stärkeren Verzerrungen des Netzstromes in Kauf genommen werden.
So besteht einer dieser Ansätze darin, die PFC-Stufe immer dann abzuschalten, wenn das Netzteil nur wenig Leistung aus dem Netz entnimmt, also um den Nulldurchgang der Netzspannung herum.

In Bild 1 ist die Leistungsaufnahme (magentafarbene Kurve) bei sinusförmiger Netzspannung als Funktion eines symmetrischen Flusswinkels des Eingangsstromes (blaue Kurve) zu sehen. Die magentafarbene Kurve zeigt, dass der Bereich ±15° um den Nulldurchgang herum nur 3% zur gesamten Leistung beiträgt, obwohl die Netzspannung zu diesem Zeitpunkt schon 25% ihrer Amplitude erreicht hat.

Ziel dieses Ansatzes liegt nicht darin, die ineffiziente Übertragung von nur 3% der Gesamtleistung zu vermeiden, sondern darin, den Leistungsstrang, die magnetischen Bauteile sowie den zeitlichen Modulationsablauf innerhalb eines kleineren Spannungsfensters optimieren zu können. Der dem Eingangsstrom dadurch aufgezwungene »Leitungswinkel« (Conduction Angle) ist zwar verantwortlich für 14% der gesamten harmonischen Verzerrung. Jedoch werden, wie weiter unten aufgezeigt, alle anwendbaren EMV-Normen erfüllt.

Ein Low-Cost-Mikrocontroller genügt

Bild 2 zeigt als Blockdiagramm, wie sich diese Technik umsetzen lässt. Die grüne Linie umfasst den Leistungsbereich: zwei magnetisch gekoppelten »Zellen« auf der Primärseite steht eine gemeinsame Zelle auf der Sekundärseite gegen-über. Die Zellen auf der Primärseite lassen sich je nach Höhe der gleichgerichteten Netzspannung entweder in Serie oder parallel schalten. Dies bringt mehrere Vorteile, am wichtigsten ist aber die Unabhängigkeit des Wirkungsgrades von der Eingangsspannung.

Die Kontrollschaltung ist in Bild 2 unten zu sehen. Sie besteht aus einer klassischen analogen Spannungsregelung, die den Knotenpunkt eines analogen Modulators so steuert, dass die Ausgangsspannung geregelt wird. Der Mikroprozessor steuert den hier besprochen Algorithmus. Die Referenzspannung der analogen Rückkoppelschleife wird basierend auf Ein- und Ausgangsspannung aktiv moduliert, um die Leistungsfaktorkorrektur und die hierfür notwendige Anpassung der Kurvenform des Eingangsstromes zu realisieren. Die Umsetzung ist relativ einfach und benötigt einen Low-Cost-Mikrocontroller sowie einen Operationsverstärker.

Wichtig zu wissen ist, dass der Mikrocontroller nur die Information über Netzfrequenz und Phase benötigt, um den Normalbetrieb des Leistungsteils, also außerhalb der Totzeit während des Nulldurchgangs, zu ermöglichen. Obwohl die Netzspannung mit einer hohen Taktrate abgetastet wird, lässt sich die Netzfrequenz in nur wenige Zyklen erfassen. Dies bedeutet für die digitale Kontrolle eine leicht zu lösende Aufgabe, und deren Hauptaktivität besteht darin, den Leistungsfaktor zu korrigieren und den Strom, den die Stromversorgung dem Netz entnimmt, wie im Folgenden beschrieben zu formen.

Verzerrungen der Netzspannung

Klassische PFC-Schaltungen verlassen sich auf eine direkte oder indirekte Messung der Netzspannung, um damit den Eingangsstrom entsprechend der Netzspannung zu formen. Enthält die Netzspannung jedoch wie im Bereich der Schwerindustrie einen höheren Oberwellenanteil, erscheinen genau diese Harmonischen auch im Spektrum des Eingangsstromes. Dies verursacht weitere Spannungseinbrüche mit dem gleichen Oberwellenanteil, sodass sich die allgemeine Netzqualität (Power Quality) weiter verschlechtert.

Die Bilder 3 und 4 zeigen typische Stromverläufe analoger PFC-Schaltungen auf der Basis von Multiplizierern, mit idealer sowie verzerrter Netzspannung. Ebenfalls gezeigt ist die Verzerrung beim Nulldurchgang, eine unausweichliche Konsequenz der Limitierung von pulsbreitenmodulierten Wandlerschaltungen bei niedrigen Leistungen.
In diesen Fällen werden zur Erfüllung der Normen oftmals aktive Kompensationen eingesetzt, was jedoch zusätzliche Betriebskosten verursacht. Daher wurde ein digitaler Algorithmus entwickelt, mit dem Ziel, eine Kurvenform des Netzstroms gemäß den anwendbaren IEC-Normen sowie einem hohen Leistungsfaktor zu erreichen, ohne jedoch die Verzerrungen der Netzspannung weiterzugeben. Diese Technik basiert auf folgenden Zielen:

  • Konstantes Verhältnis zwischen Eingangsspannung und Eingangsstrom, um einen hohen Leistungsfaktor zu erreichen.
  • Konstantes Verhältnis zwischen den fortlaufenden Mittelwerten von Eingangsstrom und -spannung, um die Stromoberwellen zu reduzieren beziehungsweise in manchen Fällen sogar zu eliminieren 

Gleichung (1) fast das Ergebnis zusammen; vin und vcn sind die jeweiligen Momentanwerte der Eingangsspannung des Wandlers und der Knotenspannung am Regler (siehe Bild 2), während Vin und Vcn die sich verändernden Mittelwerte sind.
(1) V subscript i n end subscript over V subscript c n end subscript equals fraction numerator begin display style stack V subscript i n end subscript with minus on top end style over denominator begin display style stack V subscript c n end subscript with minus on top end style end fraction equals c o n s t. 
Die Einführung eines Mittelwertes erzeugt eine Phasenverzögerung und wirkt sich auf den Leistungsfaktor mit 1% aus.

Es werden jedoch auch die Auswirkungen der Netzverzerrungen auf den Eingangsstrom deutlich reduziert. Die Amplituden der Oberwellen höherer Ordnung, deren Spektrum in das Fenster der Mittelwertbildung fällt, werden im Modulationsalgorithmus über mehrere Abtastperioden reduziert. Bild 5 zeigt den Oberwellenanteil einer Sinusspannung mit einem Effektivwert von 120 V, begrenzt auf 80% der Amplitude, während in Bild 6 diese einzelnen Oberwellen im Zeitspektrum sowie ein mögliches Fenster der Mittelwertbildung für die digitale Steuerung dargestellt werden.

Dies hilft aufzuzeigen, wie Oberwellen höherer Ordnung durch die richtige Abtastrate und Fensterbreite praktisch ausgelöscht werden.

Experimentelle Ergebnisse

Diese Technik wurde in dem im Anlaufbild gezeigten, hochkompakten Frontend-Modul von Vicor eingesetzt, einem isolierten 330-W-Wandler mit Universaleingang und 48-V-Ausgang. Das Modul basiert auf der Architektur von Bild 2 und beinhaltet beide Ideen für die Steuerung: Totzeit während des Nulldurchgangs und digitaler Multiplizierer mit fortlaufender Mittelwertbildung.

Tabelle 1 zeigt in der zweiten Spalte die theoretischen Oberwellen-anteile des Eingangsstroms bei verschiedenen Verzerrungsgraden (THDV) der Eingangsspannung (erste Spalte). Direkt daneben in der dritten Spalte sind die bei kompletten Wandlern gemessenen Werte. 
Diese Daten beweisen zwei Dinge: Zum einen erzeugt das Vermeiden des PFC-Betriebs beim Nulldurchgang eine Verzerrung (THD) des Eingangsstromes um 14%, was in Einklang mit den industrieüblichen Reglern auf Basis analoger Multiplizierer ist. Die sehr deutlichen Vorteile bei Kompaktheit und Wirkungsgrad des Wandlers bestätigen die Idee, diese Technik einzusetzen. Zum anderen reduziert ein digitales, fortlaufend Mittelwerte bildendes Multipliziererelement in der PFC-Steuerung die Oberwellenanteile, die von der Netzspannung an den Netzstrom weitergegeben werden.

Dies würde ansonsten die Qualität der Netzversorgung eines Gerätes verschlechtern. Auch mit stark verzerrter Netzspannung bleibt die Gesamtverzerrung des Stroms stabil bei etwa 14%.

Über den Autor:

Maurizio Salato ist Director of Systems Engineering bei Vicor.