Vor- und Nachteile der verschiedenen Schaltungen und Betriebsarten zur Leistungsfaktorkorrektur Die Wahl der richtigen Leistungsfaktorkorrekturschaltung

Die Entwickler von netzgespeisten Stromversorgungsschaltungen müssen die Standards für die Oberwellenunterdrückung einhalten. Sie stehen vor der schwierigen Aufgabe, einerseits die geeignete Leistungsfaktorkorrektur-Stufe (PFC) einzuplanen und dabei gleichzeitig die vielen anderen gesetzlichen Vorschriften einzuhalten, und andererseits auch den erwarteten Kostenrahmen für den Kunden nicht zu sprengen. Es gibt heute eine ganze Reihe neuer PFC-Schaltungen und PFC-Bauteile, die dem Entwickler helfen und ihm die Arbeit erleichtern können.

Vor- und Nachteile der verschiedenen Schaltungen und Betriebsarten zur Leistungsfaktorkorrektur

Die Entwickler von netzgespeisten Stromversorgungsschaltungen müssen die Standards für die Oberwellenunterdrückung einhalten. Sie stehen vor der schwierigen Aufgabe, einerseits die geeignete Leistungsfaktorkorrektur-Stufe (PFC) einzuplanen und dabei gleichzeitig die vielen anderen gesetzlichen Vorschriften einzuhalten, und andererseits auch den erwarteten Kostenrahmen für den Kunden nicht zu sprengen. Es gibt heute eine ganze Reihe neuer PFC-Schaltungen und PFC-Bauteile, die dem Entwickler helfen und ihm die Arbeit erleichtern können.

Die aktive Leistungsfaktorkorrektur gewann in den letzten Jahren immer mehr an Boden, weil sie es dem Entwickler gestattet, mit relativ geringem Aufwand die gesetzlichen Anforderungen zu erfüllen. Diese aktive Korrekturschaltung bringt sogar eine Reihe von positiven Nebeneffekten mit sich. So vereinfacht sich dadurch die Schaltung des eigentlichen Schaltreglers – einige Bauteile können entfallen, darunter z.B. der Spannungs-Bereichsschalter für den universellen Netzbetrieb und einige der Hilfskondensatoren.

Ein Aufwärtswandler bietet von seinem Funktionsprinzip her eine gute Möglichkeit, um einen hohen Leistungsfaktor zu erreichen, weil nämlich eingangsseitig eine Induktivität vorhanden ist. Diese Induktivität erlaubt das Formen des Eingangsstroms, damit dieser in Phase mit der Netzspannung liegt. Es gibt jedoch verschiedene Schaltungsverfahren zur Steuerung des Momentanwerts des Stroms durch diese Induktivität, um so die Leistungsfaktorkorrektur in die Praxis umzusetzen. Einen kurzen Überblick über die Funktionsweise dieser Verfahren gibt Bild 1.

CRM-PFC

CRM (CRitical conduction Mode, Betrieb an der Lückgrenze) ist traditionell die bevorzugte Methode für Netzgeräte kleiner Leistung, da die Steuerschaltung unkompliziert ist und mit langsamen Dioden arbeiten kann. In den letzten Jahren sorgten einige Innovationen für einen höheren Wirkungsgrad. So bietet beispielsweise der PFC-Controller MC33260 [1] von ON Semiconductor eine „Follower-Boost“ genannte Option, bei der die Ausgangsspannung des PFC-Aufwärtswandlers nicht auf einen konstanten Wert geregelt wird, sondern entsprechend der Änderungen der Netzspannung variieren kann. Dadurch verringern sich die Durchlassverluste im MOSFET um 33 % und die Induktivität lässt sich um 43 % verkleinern. CRM-PFC leidet jedoch unter einigen Einschränkungen, wie etwa der variablen Schaltfrequenz, die schwerer auszufiltern ist, und dass nahe den Nulldurchgängen die Schaltfrequenz hoch ist.

DCM-PFC

DCM (Discontinuous Conduction Mode, Betrieb mit lückendem Strom) übernimmt die Vorteile des CRM und vermeidet zugleich einige Einschränkungen. Der DCM/CRM-Controller NCP1601 [2] von ON Semiconductor z.B. kann vollständig im DCM arbeiten und die Frequenz dennoch stabil halten oder wahlweise nur partiell im CRM-Modus arbeiten. Im zweiten Fall werden die Spitzenströme auf dem gleichen Pegel wie beim CRM gehalten und die Maximalfrequenz erheblich gesenkt, was die Aufgabe der Filterung vereinfacht. Ein weiterer entscheidender Vorteil der Herabsetzung der Schaltfrequenz liegt darin, dass dadurch bei geringer Last oder im Leerlauf der Energiebedarf vermindert werden kann, um so den diversen gesetzlichen Standards Genüge zu tun. Der NCP1601 verfügt über eine patentierte Regelschaltung [3], die für eine Leistungsfaktorkorrektur während aller Betriebsartenwechsel sorgt. Bild 2 zeigt die PFC-Schaltung mit einem NCP1601A für ein 100-W-Netzteil. Dieses simple Verfahren führt zu sehr effektiven Ergebnissen – einem Leistungsfaktor von über 0,99 und einem Wirkungsgrad von 94 % bei einer Eingangsspannung von 110 V(AC) und voller Last.

CCM (Continuous Conduction Mode, Betrieb mit nicht-lückendem Strom) ist die bevorzugte Methode für Geräte höherer Leistung (>250 W). Begründet ist dieses durch die geringeren Spitzenströme und die konstante Frequenz. Leider waren jedoch herkömmliche CCM-PFC-Schaltungen sehr komplex – mit mehreren Regelschleifen, notorisch unpräzisem analogem Multiplizierer und vielen Bauteile rund um das Regel-IC. Mit der Einführung des NCP1653 [4], eines unkomplizierten, aber dennoch robusten CCM-PFC-Controllers im achtpoligen Gehäuse, gehört solche Komplexität der Vergangenheit an. Der NCP1653 bietet auch eine Reihe von Schutzschaltungen und ebenso eine „Follower-Boost“-Option. Wie in Bild 3 dargestellt, benötigt der NCP1653 nur sehr wenige externe Bauteile, bietet aber dennoch Eigenschaften, die mit anderen CCM-Controllern vergleichbar sind: 4 % Klirrfaktor und 93 % Wirkungsgrad bei einer Eingangsspannung von 110 V(AC) und einer Last von 300 W.