Das Stromversorgungsnetz transportiert elektrische Energie in Form von Wechselstrom. Unter idealen Bedingungen wirkt die Last rein resistiv (ohmscher Widerstand), doch durch die zahlreichen Elektromotoren in Fabriken und Wohnhäusern erhält der entnommene Laststrom einen induktiven Anteil.
Zwischen dem Strom im Netz und dem Strom durch die Last entsteht eine Phasenverschiebung. Dieser Zusammenhang kann als einfacher R-L-Kreis wie in Abbildung 1 dargestellt werden. Die verschiedenen Leistungsformen heißen Blindleistung, Scheinleistung und Wirkleistung.
Abbildung 1
Blindleistung ist die elektrische Energie, die in der Spule gespeichert ist und dann in das Netz zurückfließt. Ideal Spulen verbrauchen keine elektrische Energie, sondern erzeugen einen signifikanten elektrischen Strom. Wirkleistung ist die Leistung, die von der ohmschen Last tatsächlich verbraucht wird. Scheinleistung wiederum ist die Leistung, der das Netz standhalten muss. Die Einheit der Wirkleistung ist Watt. Die Einheit der Scheinleistung ist VA (Volt-Ampere).
Eine berühmte Analogie ist das Bild mit dem Glas Bier und dem Schaum des Bieres. Wirkleistung ist das, was am Ende getrunken wird. Das Glas ist die Scheinleistung und muss groß genug sein, um Flüssigkeit und Schaum aufzunehmen.
Das Problem der Blindleistung ist nicht nur technischer Natur, sondern hat auch bedeutende ökonomische Aspekte. Tatsächlich muss ein Versorgungsunternehmen ein Netz unterhalten, das die gesamte Scheinleistung transportiert, kann aber nur die Wirkleistung in Rechnung stellen. Ist der Unterschied zu groß, lohnt der Aufwand nicht. Das Verhältnis zwischen Wirkleistung und Scheinleistung ist der sogenannte Leistungsfaktor. Der Leistungsfaktor muss so nah wie möglich bei eins liegen. Elektronik-Komponenten mit der Bezeichnung Leistungsfaktor-Korrekturen unterstützen dabei. Staatliche Stellen erlassen regelmäßig neue Vorschriften für elektronische Geräte, die strengere Normen erfüllen müssen, um ein gutes Energie-Label zu erhalten.
Ähnliches Produkt:
Konventionelle AC-DC-Wandler nutzen in der Regel eine Vollwellen-Gleichrichterbrücke mit einer einfachen Kondensatorfilterung. Folglich ist der Verlauf des Leitungsstroms ein schmaler Impuls und der Leistungsfaktor ist mit 0,5 bis 0,6 aufgrund der starken harmonischen Verzerrung des Stroms sehr schlecht (siehe Abbildung 2).
Abbildung 2
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Leistungsfaktor-Korrektur zu verbessern. Im Low-Power-Segment ist eine passive Lösung mit diskreten Bauelementen oft genug. Wie bereits erwähnt, verhält sich eine Last die meiste Zeit induktiv. Ein parallel geschalteter Kondensator verbessert den Leistungsfaktor. Wenn Anwendungen ein paar Dutzend Watt benötigen, ist ein aktiver PFC notwendig. Die häufigste Topologie ist die Boost-Topologie, von der zwei Unterkategorien unterschieden werden können:
– Übergangsmodus (Transition Mode, TM) oder kritischer Leitungsmodus (Critical conduction Mode, CrM) für einige zehn Watt bis zu hundert Watt
– Dauerleitungsmodus (Continuous Conduction Mode, CCM) für ein paar hundert Watt bis zu mehreren tausend Watt.
Abbildung 3 zeigt die PFC-Stufe vor dem Ladekondensator als Hochsetzsteller-Schaltung (Booster).
Abbildung 3
Das Ziel ist, den Eingangsstrom in eine Sinusform zu bringen, in Phase mit der Eingangssinusspannung. Eine interne sinusförmige Referenz wird erzeugt. Diese Referenz wird mit dem externen Signal verglichen und, wenn der Fehler zu groß ist, wird der MOSFET ausgeschaltet. Dann, wenn der Strom null erreicht, wird der MOSFET wieder eingeschaltet. Dieser Übergangsmodus hat einen festen Eischaltzeitraum und zeigt einen Kurvenverlauf wie in Abbildung 4.
Ähnliches Produkt:
Abbildung 4: Drosselstromverlauf und MOSFET-Timing: Übergangsmodus
Das System arbeitet (zwar nicht exakt, aber mit enger Annäherung) an der Grenze zwischen kontinuierlichem und diskontinuierlichem Strommodus. Deshalb wird dieses System als Übergangsmodus-PFC bezeichnet. Der Strom hat große Amplituden und der Spitzenstrom beträgt das Doppelte des durchschnittlichen Stroms. Daher ist es für hohe Leistungen notwendig, einen Strom mit besserer Annäherung an die Sinuskurve zu erhalten. Der Dauerleitungsmodus ist die Lösung. Eine feste Frequenz begrenzt die Stromschwankungen, wie in Abbildung 5 gezeigt. Dies ist gleichzeitig das komplexeste Design, mit dem allerdings ein Leistungsfaktor von 0,99 erreichbar ist.
Abbildung 5: Drosselstromverlauf und MOSFET-Timing: Dauerleitungsmodus
Es gibt noch weitere Methoden, wie etwa die feste Sperrzeit (Fixed Off Time, FOT), bei der die Modulation während der Einschaltzeit stattfindet. In einigen Bedingungen kann es ähnliche Ergebnisse wie die aktuelle Serien-Modus bieten, sondern mit einer Implementierung ähnlich Übergangsmodus. Wenn der Strom erhöht werden muss und ein einzelner Übergangsmodus nicht mehr ausreicht, kann ein kaskadierter PFC die Lösung sein. Diese Art von Lösung erfordert mehr Komponenten, kann aber viel einfacher aufzubauen sein.