Leistungsfaktorkorrektur Höherer Leistungsfaktor, höherer Wirkungsgrad

Die digitale Regelung ist auf dem Vormarsch, denn sie bietet die Möglichkeit, den Wirkungsgrad nicht nur in einem Arbeitspunkt, sondern über einen ganzen Lastbereich in die Höhe zu treiben. Was zunächst nur mit schnellen Prozessoren und aufwendiger Programmiertechnik möglich war, wird zukünftig unsichtbar in „normale“ ICs integriert, wie das Beispiel der PFC-Controller von Cirrus Logic zeigt.

Mit den digital geregelten PFC-Controller-ICs CS1500 und CS1600 will Cirrus Logic in den Markt für Stromversorgungs- ICs einsteigen. Die Version CS1500 ist für Netzteile bis zu einer Leistung von 300 W ausgelegt. Mit einer angepassten Schutzschaltung und einer Rückkopplungskompensation ist die Version CS1600 speziell für Lampenvorschaltgeräte ausgelegt. Beide ICs nutzen einen „EXL“ genannten Prozessor-Kern für die digitale Regelung (Bild 1).

Dass Digitaltechnik im Inneren der PFC-Controller steckt, ist den 8-poligen ICs im SOIC-Gehäuse nicht anzusehen. Der EXL-Prozessorkern ist von außen nicht zugänglich und muss vom Schaltungsentwickler auch nicht programmiert werden. In den PFC-Controllern CS1500/1600 sind alle peripheren Blöcke wie Analog/Digital-Umsetzer, Oszillator, MOSFET-Treiber und Eigen-Stromversorgung integriert. Sie werden wie ihre analogen Vorgänger eingesetzt. Zu den wesentlichen Vorteilen der digital geregelten Leistungsfaktorkorrektur gegenüber analogen PFC-Schaltungen zählen:

  • Hoher Wirkungsgrad und besserer Leistungsfaktor über einen großen Lastbereich – bei Teillast und geringer Last (Bild 2).
  • Zirka 30 % weniger externe Bauelemente. Der digitale Regler benötigt kein Kompensationsnetzwerk im Rückkopplungszweig. Der Regler arbeitet konstant; ist unabhängig von Bauteiltoleranzen und Alterungseffekten.
  • Niedrigere leitungsgebundene Störaussendung – einfacheres und somit billigeres EMV-Filter.

Bisher war es durchaus üblich, die PFC-Stufe auf den Nennlastbetrieb zu optimieren. Sie wurde z.B. abgeschaltet, wenn ein Netzgerät nur mit geringer Last arbeitete, um auf diese Weise den Gesamtwirkungsgrad des Netzgerätes auf einem hohen Wert halten zu können.

Die digital geregelte Leistungsfaktorkorrektur hingegen ermöglicht einen nahezu lastunabhängigen, konstant hohen Wirkungsgrad, so dass die PFC-Stufe auch bei niedriger Last den Gesamtwirkungsgrad des Netzteils nicht verschlechtert.

Augenfälligster Unterschied zwischen einer PFC-Stufe mit analogem PFC-Controller und einer digital geregelten PFC-Stufe mit CS1500/1600 dürfte das Fehlen des Kompensationsnetzwerkes in der digitalen Rückkoppelungsschleife sein. Das rückgekoppelte Signal der Zwischenkreisspannung wird im CS1500/1600 digitalisiert und in einer von Cirrus Logic entwickelten Steuereinheit digital verarbeitet. Der hierbei genutzte adaptive Algorithmus passt sich an die jeweilige Betriebsbedingung an, so dass die Stabilität des Regelkreises und die Transientenantwort stets optimal sind.