Leistungsfaktorkorrektur PFC- und DC/DC-Wandler in Einem

Wenn die Ansprüche an die Welligkeit der Ausgangsspannung eines Schaltnetzteiles nicht hoch sind - z.B. für LEDs oder DC-Motoren -, dann lässt sich die PFC-Stufe auch als Schaltnetzteil einsetzen. Vorteil: Es genügt ein Controller-IC und eine Wandler-Stufe.

Um die Oberwellen-Störungen auf der Netzseite zu reduzieren, versuchen Behörden und Organisationen durch verschiedene Standards, wie beispielsweise IEC1000-3-2, die Erzeugung derartiger Oberwellen zu begrenzen. Zudem kommt in vielen Stromversorgungen, Haushaltsgeräten, Beleuchtungs- und Industrieanwendungen eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC) zum Einsatz. Mit solchen PFC-Schaltungen sollen die Eingangsoberwellen reduziert werden.

Für die Leistungsfaktorkorrektur wurden inzwischen viele Techniken und Schaltungen vorgeschlagen. Der Aufwärtswandler ist derzeit die populärste PFC-Schaltung, da sie den Eingangsstrom kontinuierlich formen kann und einfach zu implementieren ist. Hier wird zuerst die Eingangsspannung auf eine hohe DC-Zwischenkreisspannung angehoben und dann in einer zweiten Stufe die benötigte Ausgangspannung/Strom generiert. Mit dieser zweistufigen Schaltung lässt sich ein sehr hoher Leistungsfaktor und ein kleiner Gesamtklirrfaktor (THD) erreichen. Sie erfordert aber mindestens zwei Leistungsschalter und zwei Induktivitäten, was die Komplexität und die Kosten des Netzteils erhöht.

Einstufige PFC-Schaltnetzteile kombinieren die erste PFC-Stufe mit der kaskadierenden DC/DC-Wandlerstufe. Im Vergleich mit der zweistufigen Schaltung bietet ein einstufiges PFC-Schaltnetzteil einige entscheidende Vorteile:

  • Es wird kein DC-Speicherkondensator benötigt; sowohl die PFC-Schaltung, als auch der DC/DC-Wandler benötigen einen für mehrere hundert Volt ausgelegten DC-Speicherkondensator, der zum Einen die Kosten erhöht und zum Anderen die Zuverlässigkeit reduziert.
  • Weniger Bauteile im Vergleich zu einem zweistufigen Schaltnetzteil, da ein einstufiges PFC-Schaltnetzteil nur einen Leistungsschalter, einen Transformator und einen Ausgangsgleichrichter benötigt.
  • Einfach zu realisierende Isolierung.

Im einstufigen PFC-Schaltnetzteil ist allerdings die Ausgangsspannungswelligkeit höher und die Bandbreite des Systems ist niedriger. Gegenwärtig ist bei den galvanisch trennenden, einstufigen PFC-Schaltnetzteilen der Sperrwandler am populärsten.

Analyse einer einstufigen PFC

Ein einstufiges PFC-Schaltnetzteil auf der Basis eines Sperrwandlers ist in Bild 1 dargestellt. Der Schaltregler arbeitet an der Lückgrenze - im CCM-Betrieb (Critical Conduction Mode) - und eignet sich für Netzteile mit kleiner Leistung. In dieser Betriebsart ist der Regelkreis viel einfacher, da es ein System erster Ordnung ist, und die Anforderungen an den Leistungstransistor und die Ausgangsgleichrichterdiode sind niedriger.

Bild 2 zeigt den Betriebsstrom für diesen Modus. Es gilt die folgende grundlegende Induktionsgleichung:

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Wobei L für die primäre Magnetisierungsinduktivität des Transformators steht. Entsprechend der Gleichung lässt sich sicherstellen, dass wenn Δt konstant ist, dass dann der Eingangsstrom proportional zur Eingangsspannung ist. Das heißt, dass sich der Eingangsstrom entsprechend den Änderungen der Eingangsspannung anpasst.

Der PFC-Controller erzeugt das Ausgangssignal für einen konstanten Zeitraum und schaltet damit den Leistungsschalter aus. Der nächste Zyklus startet, wenn der Nulldurchgang des Stroms auf der Sekundärseite erkannt wird, und so weiter.

Angenommen dass die Eingangsspannung ein reines sinusförmiges Signal ist, dann gilt:

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UE steht fur den Effektivwert (RMS) der Eingangsspannung. ω(= 2π x fNetz) ist die Kreisfrequenz des Versorgungsnetzes, normalerweise 50 Hz oder 60 Hz. Der Eingangsstrom bei jeder Schaltfrequenz folgt der Eingangsspannung; es gilt also:

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Zuerst sollte die Schaltfrequenz berücksichtigt werden. Die Schaltfrequenz ändert sich mit der AC-Eingangsspannung innerhalb einer Netzperiode entsprechend:

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Die minimale und die maximale Schaltfrequenz lassen sich mit Gl. (4) ermitteln. Die maximale Frequenz wird bei der maximalen Eingangsspannung und |sin(ωt)| = 0 erreicht, dagegen der Minimalwert bei der minimalen Eingangsspannung und |sin(ωt)| = 1. Diese zwei Frequenzen bestimmen die Transformatorgröße, ebenso die Induktivität und die Spezifikation einiger anderer Bauteile.

Das einstufige PFC-Schaltnetzteil sollte einen möglichst hohen Leistungsfaktor erreichen. Allerdings entspricht nur die Hüllkurve des Eingangsstroms einer Sinusschwingung, wie in Bild 2 dargestellt. Aus der Formel

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ergibt sich, dass 1 + K × |sin(ωt)| möglichst konstant sein muss, um den Leistungsfaktor zu verbessern.

Das heißt, dass K – das Verhältnis der Eingangsspannung zur reflektierten Spannung – so klein wie möglich sein sollte. Das wiederum bedeutet, dass die Eingangsspannung durch die Schaltung selbst beschränkt wird. Bei einem kleinen K-Wert würde also eine hohe reflektierte Spannung auftreten. Eine hohe reflektierte Spannung erfordert aber einen entsprechend spannungsfesten Leistungsschalter, was die Kosten erhöht und auch die Zuverlässigkeit reduzieren kann.

Die Wahl des K-Werts erfordert daher einen Kompromiss zwischen Leistungsfaktor und Beanspruchung des Leistungstransistors. Normalerweise wird für den universellen Eingangsspannungsbereich von 85 V bis 264 V ein K-Wert zwischen 0,5 und 10 gewählt.

Mit K kann nun der Effektivwert des Stroms auf der Primärseite berechnet werden:

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Dazu muss allerdings der Spitzenstrom î bekannt sein. Die maximale Spitzenstromstärke ist auch für die Dimensionierung des Transformators wichtig.