Leistungsfaktorkorrektur Elektronischer Lastenausgleich

Schon in der Frühzeit der elektrischen Energieübertragung hielt ein automatisierter Phasenschieber am Energieübergabepunkt eines Großverbrauchers durch fortlaufendes Zu- und Abschalten von Kondensatorbänken den Blindstrom so gering wie möglich. Heute übernehmen spezielle PFC-Schaltungen (Power Factor Correction) diese Aufgabe.

Blindstromkompensation ist seit den Anfängen der elektrischen Energieübertragung ein Mittel, die Kosten für die elektrische Energie zu senken und das Versorgungsnetz zu stabilisieren. Nun wird auch in Modulen und Baugruppen dafür gesorgt, dass diese meist eine rein ohmsche Last darstellen. Eine einfache PWM-gesteuerte Aufwärtswandlerschaltung bestehend aus Induktivität, Diode und MOSFET bietet die Möglichkeit der Blindstromkompensation. Die Aufgabe besteht darin, den Eingangsstrom so zu steuern, dass dieser zum Verlauf der Eingangswechselspannung proportional ist.

Dazu wird ein PWM-Signal mit ausreichend hoher Frequenz generiert (100 kHz), dessen Tastverhältnis durch den Vergleich der Momentanamplitude der Wechselspannung nach dem Brückengleichrichter mit einer Sägezahnspannung verglichen wird. Die Amplitude der Eingangswechselspannung bestimmt dabei die Einschaltzeit des Leistungstransistors (MOSFET) und damit den Betrag der Energie, der in der Spule gespeichert und bei ausgeschaltetem MOSFET zum Ladekondensator über die Längsdiode transferiert wird. Bei genügend hoher „Abtastfrequenz“ ist der Anstieg des Stroms linear und damit im Verlauf einer Halbwelle proportional zur Eingangsspannung.

Aktive PFC mit 350 kHz

Mit dem Baustein AOZ7111 von Alpha & Omega Semiconductor wird eine solche „aktive Leistungsfaktorkorrektur“ mit einem Aufwärtsregler realisiert (Bild 1). Der Baustein arbeitet mit einem externen Leistungsschalter (MOSFET) bei Schaltfrequenzen bis 350 kHz. Die Einschaltzeit des PWM-Signals wird durch den Vergleich der Ausgangsspannung mit einer intern erzeugten Sägezahnspannung bestimmt, deren Dauer über einen -externen Kondensator CT eingestellt wird. Für die Konditionierung der Ausgangsspannung auf dem Chip setzen die Schaltungsentwickler einen Transkonduktanz-Verstärker (OTA) ein, der an einen Strommesswiderstand am Fußpunkt des Brückengleichrichters angebunden ist. Dadurch erübrigt sich die sonst übliche Zusatzwicklung in der Arbeitsinduktivität, über die der Verlauf der Eingangswechselspannung dem Chip auf einfache Weise aufgeschaltet werden kann.

Der Hersteller charakterisiert die Funktionsweise seines Bausteins als „Critical Conduction Mode“, hierbei wird der MOSFET-Schalter für eine feste Zeit zu „1“ gesetzt, der Spulenstrom steigt linear bis auf einen bestimmten Wert. Danach wird der Schalter geöffnet, die Summe der Spannungen über dem Gleichrichter und der Spule treibt den Strom durch die Diode in den Kondensator. Beim Nulldurchgang des Spulenstroms wird der MOSFET-Schalter wieder auf „1“ gesetzt und der Strom fließt wieder vom Brückengleichrichter durch die Spule. Wegen des unmittelbaren Start des Zyklus beim Nulldurchgang des Stromes ist hier von einer „kritischen“ Betriebsart die Rede. Der Vorteil liegt nun darin, dass das Einschalten des MOSFET stromlos geschieht. Beim „Continuous Conduction Mode“ hingegen wird schaltungstechnisch dafür gesorgt, dass beim Einschalten noch ein Strom durch die Spule fließt.