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Leistungsfaktorkorrektur

Einfacher mit Spitzenstromregelung

26. Juni 2023, 06:00 Uhr | Bosheng Sun, Harry Schubert

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In klassischen PFC-Schaltungen wird der Mittelwert des Stromes als Istwert für die Regelung genutzt. Die PFC-Schaltung kann vereinfacht werden, wenn statt des Mittelwerts der Spitzenwert erfasst wird – ein Prinzip, das von DC/DC-Wandlern bekannt ist.

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Spitzenstromregelung für PFC-Stufen im lückenden Betrieb

Zeitlicher Verlauf des Stroms in einer PFC-Drosselspule im lückenden Betrieb. — Bild 5. Zeitlicher Verlauf des Stroms in einer PFC-Drosselspule im lückenden Betrieb – DCM, Discontinuous Conduction Mode.

Der gleiche Algorithmus lässt sich auch auf den lückenden Betrieb (DCM, Discontinuous Conduction Mode) anwenden. Bild 5 zeigt den Verlauf des Spulenstroms im DCM-Betrieb. Der Spulenstrom fällt am Ende von Taus auf Null und bleibt für den Rest der Periode Tdcm auf Null; daher ist T = Tein + Taus + Tdcm. Der PWM-Generator ist derselbe wie in Bild 4, aber die PWM-Aus-Zeit ist Taus + Tdcm, nicht Taus, wie in Bild 6 gezeigt.

Bild 6. Erzeugung der PWM-Wellenform für die vorgeschlagene Spitzenwert-Methode im DCM.

Durch Umformulierung von Gleichung 4 in Gleichung 9 wird der durchschnittliche Strom im DCM für einen Schaltzyklus berechnet:

I_{M W} = (I_{2} - \frac{U_{E} \times T_{e i n}}{2 \times L}) \times \frac{T_{e i n} + T_{a u s}}{T} (9)

Im eingeschwungenen Zustand muss der magnetische Fluss in jedem Schaltzyklus ausgeglichen werden, was zu Gleichung 10 führt:

U_{E} \times T_{ein} = (U_{A} - U_{E}) \times T_{a u s} (10)

Aufgelöst nach Taus und in Gleichung 9 eingesetzt ergibt sich:

I_{M W} = (I_{2} - \frac{U_{E} \times T_{e i n}}{2 \times L}) \times \frac{T_{e i n} \times U_{A}}{T \times (U_{A} - U_{E})} (11)

Aus Gleichung 6 ergibt sich somit Gleichung 12:

\frac{I_{2} \times R}{U_{S_S Z}} = \frac{T - T_{e i n}}{T} (12)

Gleichung 13 berechnet den Spitzenwert des Sägezahnsigals US_SZ wie folgt:

U_{S_S Z} = [\frac{G_{U} \times U_{E} \times T \times (U_{A} - U_{E})}{T_{e i n} \times U_{A}} + \frac{R \times T_{e i n} \times U_{E}}{2 \times L}] \times \frac{T}{T - T_{e i n}} (13)

Durch Einsetzen von Gleichung 13 in Gleichung 12 und Auflösen nach I2 ergibt sich Gleichung 14:

I_{2} = \frac{G_{U} \times U_{E} \times T \times (U_{A} - U_{E})}{R \times T_{e i n} \times U_{A}} + \frac{T_{e i n} \times U_{A}}{2 \times L} (14)

Wird nun I2 in Gleichung 11 eingesetzt, so erhält man Gleichung 15:

I_{M W} = [\frac{G_{U} \times U_{E} \times T \times (U_{A} - U_{E})}{R \times T_{e i n} \times U_{A}} + \frac{T_{e i n} \times U_{E}}{2 \times L} - \frac{U_{E} \times T_{e i n}}{2 \times L}] \times \frac{T_{e i n} \times U_{A}}{T \times (U_{A} - U_{E})} I_{MW} = \frac{G_{U}}{R} \times U_{E} (15)

In Gleichung 15 ist GU im stationären Zustand konstant; daher ist IMW proportional zu UE und folgt dem zeitlichen Verlauf von UE. Wenn UE eine Sinuskurve ist, ist auch IMW eine Sinuskurve, wodurch ein Leistungsfaktor von Eins erreicht wird.

Die Gleichungen 9 bis 15 gelten sowohl für CCM als auch für DCM. Wenn also der Spitzenwert des Sägezahnsignals gemäß Gleichung 13 erzeugt wird, ist es möglich, sowohl für CCM als auch für DCM einen Leistungsfaktor von 1 zu erreichen.

Gleichung 1 ist ein Spezialfall von Gleichung 13, bei dem T = Tein + Taus. Für Anwendungen mit geringer Last – die PFC-Stufe arbeitet bei geringer Last im DCM-Modus –, bei denen THD und Leistungsfaktor nicht wichtig sind, kann Gleichung 1 zur Vereinfachung der Implementierung verwendet werden.

Testergebnisse

Die neue PFC-Methode mit Spitzenstromregelung wurde an einem Evaluierungsmodul (EVM) für eine 360-W-PFC-Stufe überprüft. Bild 7 zeigt den gemessenen Eingangsstrom, der einen guten sinusförmigen Verlauf aufweist.

Gemessener Eingangsstrom an einem 360-W-PFC-Evaluierungsmodul mit der neuen Spitzenwertmethode. — Bild 7. Die neue Spitzenwertmethode wurde an einem 360-W-PFC-Evaluierungsmodul getestet. Der gemessene Eingangsstrom folgt der sinusförmigen Spannung.

Diese neue Methode der Spitzenstromregelung für PFC-Stufen hat viele Vorteile im Vergleich zur traditionellen Mittelwertstromregelung. Der PFC-Controller kann auf der Sekundärseite des AC/DC-Wandlers platziert werden, um einen kombinierten Controller mit dem DC/DC-Wandler einzusetzen und Kosten zu reduzieren. Die Eliminierung des Strommesswiderstands und der von ihm verursachten Leistungsverluste verbessert den Wirkungsgrad. Der durch den Einsatz von Stromwandlern bei niedrigen Tastverhältnissen hervorgerufene Fehler in der Signalrückkopplungsschleife entfällt, was zu einer Verbesserung des Klirrfaktors führt.

Die Spitzenstromregelung für PFC-Stufen lässt sich mit C2000-Mikrocontrollern und dem digitalen Controller für DC/DC-Wandler UCD3138 leicht implementieren.

Der Autor

Bosheng Sun

beendete 1995 sein Elektrotechnikstudium an der Tsinghua-Universität in Peking, China, mit dem Bachelor-Abschluss und 2003 mit dem Master-Abschluss an der Cleveland State University in Ohio, USA. Im Jahr 2003 startete er seine berufliche Laufbahn bei Core Technologies und wechselte 2004 zu Plug Power. Seit 2006 arbeitet Sun bei Texas Instruments an leistungsfähigen Controller-ICs für Leistungswandler. Er ist Inhaber von vier U.S.-Patenten.