Wandler und PFC in einer Stufe PWM-Controller für Sperrwandler

Energieversorger sind sehr an einem möglichst hohen Leistungsfaktor interessiert, da sie ihre Kunden mit Scheinleistung beliefern müssen, aber nur Wirkleistung in Rechnung stellen können. Klassische Schaltnetzteile haben einen sehr niedrigen Leistungsfaktor. Um dem gegenzusteuern, wurden bislang solche Stromversorgungen mit aktiver PFC in einer zweistufigen Topologie implementiert. Doch braucht man wirklich zwei Stufen mit zwei großen induktiven Bauteilen?

Der Leistungsfaktor definiert sich als das Verhältnis der Wirkleistung, die an den Verbraucher fließt, zur Scheinleistung und ist eine dimensionslose Zahl zwischen 0 und 1. Die Wirkleistung ist die Fähigkeit der Schaltung, Arbeit in einer bestimmten Zeit auszuführen.

Die Scheinleistung ist das Produkt aus Strom und Spannung in der Schaltung. In einem elektrischen Stromversorgungssystem zieht ein Verbraucher mit kleinem Leistungsfaktor bei gleicher nutzbarer übertragener Leistung mehr Strom aus dem Netz als eine Last mit hohem Leistungsfaktor. Diese höheren Ströme steigern die Energie, die im Stromnetz verloren geht und erfordern dickere Leitungen und besondere Einrichtungen für die Übertragung.

Das verursacht zusätzliche Kosten, und die Energieversorger (EVUs) berechnen bei einem kleinen Leistungsfaktor einen höheren Preis. Darüber hinaus beeinflusst der Leistungsfaktor einer Stromversorgung die Harmonischen, die eine AC/DC-Versorgung am Wechselstromnetz generiert.

Deshalb haben die EVUs große Schwierigkeiten, die Leistung für Verbraucher zu liefern, die Schaltnetzteile ohne Blindleistungskompensation (PFC) enthalten. Aufgrund ihrer nicht-ohmschen Charakteristik verzerren Schaltnetzteile die Wellenform des aus dem Netz gezogenen Stroms. Wegen dieser nichtlinearen Natur ist die Scheinleistung in diesem Fall größer als die Wirkleistung.

Ein typisches Schaltnetzteil belastet die Netzleitung über einen Brückengleichrichter und einen Zwischenkreiskondensator (Bild 1). Daher fließt nur während der Spitze der sinusförmigen Netzspannung ein sehr hoher Strom aus dem Netz (Bild 2). Diese Stromspitzen verursachen zudem Harmonische im Netz. Weitere Nachteile derartiger nichtlinearen Verbraucher sind:

  • elektromagnetische Störaussendungen (EMI),
  • Brandgefahr durch Überhitzen des Nullleiters sowie
  • Netztrafos und Generatoren können überlastet werden, was ihre Lebenszeit verkürzen könnte.

Beginnend in den 1980ern entschied die Europäische Union, die Lösung dieses Problems auf die Hersteller von Produkten, die Schaltnetzteile enthielten, zu verlagern. Seither hat es mehrere Revisionen dieser Normen gegeben, um den Strom zu begrenzen, den die Produkte bei den Harmonischen (ganzzahlige Vielfache) der Netzfrequenz ziehen dürfen. Dies resultierte in der Standardklassifizierung nach IEC 61000-3-2 (Tabelle 1).

Klasse
Kategorie
Anmerkungen
A
Elektronische Geräte
symmetrische Drehstromgeräte; Haushaltsgeräte, ausgenommen Klasse-D-Geräte; Werkzeuge, ausgenommen tragbare Tools; Dimmer für Glühlampen; Audiogeräte; alle anderen Geräte, die nicht in die Klassen B, C oder D fallen
Btragbare Werkzeugenicht professionelle Elektroschweißgeräte
CBeleuchtungaußer Glühlampendimmer
D
PCs, PC-Monitore, Radio- oder TV-Empfänger
Eingangsleistung von 75 bis 600 W und <= 16 A Phase
Tabelle 1: Klassifizierung der Verbraucher gemäß IEC 61000-3-2

Wie Blindleistung kompensieren?

Ein Weg, den Leistungsfaktor zu verbessern, ist ein Filter aus passiven Komponenten, allgemein als »passive PFC« bezeichnet. Es ist möglich, ein Filter zu entwickeln, das Strom nur bei der Netzfrequenz (z.B. 50 Hz oder 60 Hz) passieren lässt. Diese Filterart wird normal bei kleinen Leistungen benutzt und reduziert den Strom in den Harmonischen, was bedeutet, dass das nichtlineare Gerät nun wie eine lineare Last aussieht und der Leistungsfaktor unter Einsatz von Kondensatoren und Spulen, wie benötigt, nahe an eins gebracht werden kann. Dieser Filtertyp erfordert jedoch Spulen mit großen Werten, die groß und teuer sind und die hohe Ströme generieren.

Demgegenüber ist die »aktive PFC« eine leistungselektronische Schaltung, welche die Menge der Blindleistung regelt, die von einem Verbraucher gezogen wird, um den Leistungsfaktor so nahe wie möglich an Eins zu bringen. In den meisten Anwendungen steuert diese Schaltung den Eingangsstrom des Netzteils so, dass die Wellenform des Stroms stets proportional zur Wellenform der Netzspannung ist, nämlich eine Sinuswelle.

Die aktive PFC besteht normalerweise aus einer separaten schaltenden Aufwärtswandlerstufe (Boost), die ein zusätzliches Regelungs-IC, einen eigenen Leistungs-MOSFET und eine weitere Spule benötigt. Die aktive Blindleistungskompensation bringt die Spannung und den Strom nahezu in Phase, die Blindleistung sinkt damit auf fast null. Dies erlaubt die effizienteste Art der Leistungsübertragung von den Energieversorgern zu den Endverbrauchern.

Bild 2 zeigt, wie der Strom zu einem Off-Line-Schaltnetzteil ohne Blindleistungskompensation und einem mit einer aktiven Blindleistungskompensation von 1,0 übertragen wird. Bis heute haben Stromversorgungsdesigns den Einsatz einer zusätzlichen Leistungsstufe erfordert, um die PFC zu integrieren. Ob nun aktiv oder passiv, zusätzliche Komponenten wurden benötigt, was die Kosten erhöhte sowie die Schaltungsgröße und die Komplexität steigerten.

Linear Technology hat jedoch mit dem »LT3798« einen isolierten Sperrwandler-Controller (Flyback) vorgestellt, der eine aktive Blindleistungskompensation mit einem einstufigen Wandler kombiniert, ohne dafür zusätzliche Komponenten zu benötigen. Ein mit diesem Chip ausgerüstetes Netzteil erreicht einen Leistungsfaktor von über 0,97.

Der Baustein moduliert den Eingangsstrom aktiv, sodass eine zusätzliche schaltende Leistungsstufe und die damit verbundenen Bauteile entfallen. Außerdem ist kein Optokoppler oder Signalwandler für die Rückkopplung nötig, weil die Ausgangsspannung über das Flyback-Signal (Rückschlagspannung) auf der Primärseite gemessen wird.

Ein auf dem LT3798 basierendes Design entspricht den meisten Spezifikationen der Emissionen von harmonischen Strömen. Bei Ausgangsleistungen bis zu 100 W lassen sich Wirkungsgrade über 86% erzielen. Der Eingangsspannungsbereich des Bausteins ist abhängig von der Wahl der externen Komponenten. Er kann zwischen 90 V und 307 V liegen und einfach höher oder niedriger skaliert werden.

Des Weiteren kann der LT3798 in DC-Applikationen mit hoher Eingangsspannung eingesetzt werden, was ihn für industrielle Anwendungen, für Elektro- und Hybridfahrzeuge sowie für Bergbau und medizintechnische Applikationen geeignet macht. Der Baustein arbeitet als freischwingendes System in Critical-Condition-Mode, sodass - verglichen mit dem nicht-lückenden Betrieb (Continuous Conduction Mode) kleinere Trafos zum Einsatz kommen können, was die Ausmaße der Lösung weiter verringert. Der LT3798 wird in einem thermisch verbesserten MSOP-Gehäuse mit 16 Pins geliefert.

Bild 3 zeigt eine typische Applikationsschaltung für den LT3798, die eine Eingangsspannung von 90 V bis 265 V auf 24 V/1 A am Ausgang wandelt. Dieses IC ist ein Schaltregler im Strommodus, der speziell dafür gedacht ist, eine Stromversorgung mit konstantem Strom und konstanter Spannung in einer isolierten Sperrwandler-Topologie zu realisieren. Um den Ausgang in Regelung zu halten, misst diese Schaltung die Ausgangsspannung über die zweite Wicklung des Trafos auf der Primärseite.