¿Cómo funciona la corrección activa del factor de potencia en las fuentes de alimentación de los ordenadores?

Question

No busco una explicación muy detallada (aunque sería bienvenida). Busco más bien entender intuitivamente cómo funciona.

Básicamente, en la fuente de alimentación de un ordenador tengo la entrada seguida de los filtros, el circuito PFC, el conmutador, el transformador, el rectificador y, por último, el filtro de salida y el consumidor. Por lo que he leído el mismo circuito PWM que controla el interruptor y regula la tensión en la salida también controla la corrección activa del factor de potencia.

Lo que no entiendo es cómo se corrige realmente el factor de potencia.

Aquí tienes una foto:

¿Cómo funcionan aquí esos dos transistores y cómo determinaría el controlador PFC que el factor de potencia es malo?

Sé que el factor de potencia se suele corregir con bobinas y condensadores y aquí veo ambas cosas, pero no entiendo qué pasa realmente cuando uno de los transistores empieza a conducir, por qué se necesitan dos transistores y cómo afecta eso al factor de potencia.

Answer 1

Simplificado:

• el controlador PFC no "sabe" si el factor de potencia es "malo", garantiza que el factor de potencia es bueno
• tener dos transistores como se ilustra es irrelevante en términos de funcionamiento del convertidor elevador (ambos estarán encendidos y apagados al mismo tiempo)
• la corrección pasiva del factor de potencia con bobinas y condensadores es fundamentalmente diferente de la corrección activa del factor de potencia

El documento canónico sobre PFC activo de Philip C. Todd da una explicación muy detallada de cómo funciona el PFC, y aunque está escrito para un controlador arcaico (el UC3854) las ideas siguen siendo relevantes y la base para muchas implementaciones modernas de PFC activo.

El objetivo fundamental de un regulador PFC activo es hacer que la carga tomada de la red parezca resistiva. Obviamente, la carga de aguas abajo no es resistiva en la mayoría de los casos (por lo general una carga de potencia constante como un convertidor DC / DC) . La forma en que el controlador PFC puede lograr la corrección del factor de potencia es mediante la detección de la forma de onda de CA y la modulación del ciclo de trabajo de un convertidor (por lo general un aumento) para actuar como una resistencia - no dibujar la corriente en los cruces por cero, y dibujar la corriente máxima en los picos de CA.

El PFC pasivo (las bobinas y condensadores que has descrito) implica poner un gran filtro de paso bajo en la red para contrarrestar la carga no ideal. No hay ningún 'smarts' involucrados.

En la ilustración que has proporcionado faltan las redes de detección que utiliza un controlador PFC típico:

• la detección de la forma de onda de CA de entrada
• la salida de detección de CC
• la corriente del MOSFET

El sensor de forma de onda proporciona una señal al controlador PFC, normalmente en forma de corriente, que representa la forma de onda de CA después del puente rectificador. El controlador PFC utiliza esta entrada de forma de onda para controlar el ciclo de trabajo del convertidor.

La detección de CC de salida es un bucle de tensión lenta (normalmente inferior a 20 Hz) que mantiene la regulación de salida del convertidor elevador. Tiene que tener un ancho de banda menor que la forma de onda de CA de entrada, o el PFC no funcionará.

La detección de corriente del MOSFET es un bucle de corriente rápido, utilizado para el control del modo de corriente.

Answer 2

El "factor de potencia" se refiere a dos cuestiones distintas:

• el ángulo de fase entre la corriente y la tensión (más diferencia de fase = menor potencia suministrada en comparación con I * V)

• la distorsión de la corriente causada por cargas no lineales: factor de cresta = corriente de pico / corriente eficaz puede ser mucho mayor que el sqrt(2) de las ondas sinusoidales, lo que provoca armónicos que causan más disipación en el sistema de transmisión de la empresa eléctrica.

Un circuito PFC en una fuente de alimentación se ocupa principalmente del segundo de estos aspectos. Si te deshicieras del inductor + los MOSFETs en ese diagrama, terminarías con una carga de factor de cresta muy alto: el diodo dibuja grandes "sorbos" de corriente en el condensador.

El circuito PFC intenta proteger a la empresa eléctrica de esta situación, convirtiendo la corriente que pasa por el inductor en una onda sinusoidal rectificada (en fase con la tensión), haciendo que la corriente de la red eléctrica parezca una onda sinusoidal.

¿Por qué se necesitan dos transistores? No lo son, es un detalle de implementación (quizá sea más rentable utilizar dos MOSFET más pequeños en un encapsulado común que utilizar un MOSFET más grande en un encapsulado poco común).

El circuito de control enciende el MOSFET que aumenta la corriente a través del inductor. Si se apaga el MOSFET, la corriente fluirá hacia la carga, lo que generalmente disminuye la corriente. El circuito de control decide encenderlo/apagarlo para controlar la corriente a través del inductor -- como una onda sinusoidal rectificada, como he dicho antes.

En también regula la tensión en la salida.

Para ello se requiere algo más de complejidad que, por ejemplo, un convertidor CC/CC normal, así como más capacidad de almacenamiento de energía tanto en el inductor como en el condensador.

Answer 3

El factor de potencia se controla ("corrige" no es el término correcto, aunque es el más común) haciendo que la corriente siga a la tensión. En tu esquema, la tensión del bus será un poco más alta que los picos de la forma de onda de CA. El inductor, los FET, el diodo y el condensador forman un convertidor elevador. Este convertidor toma la tensión de entrada de CA rectificada y genera la tensión de bus.

Si el sistema de control sólo regulara la tensión de salida, no habría PFC. Lo que hace en su lugar es regular la corriente media a través del diodo para que sea proporcional a la tensión de entrada de CA rectificada instantánea. Recuerde que la carga ideal desde el punto de vista del factor de potencia tiene la corriente en fase con la tensión. Otra forma de verlo es que la carga en la línea de CA tiene que parecer resistiva. Al igual que una resistencia real, desea mantener la corriente proporcional a la tensión.

Por supuesto, eso está reñido con la regulación de la tensión del bus. Esto se soluciona con una respuesta rápida a la tensión de entrada de CA, pero una respuesta mucho más lenta a la regulación de la tensión del bus. En otras palabras, la línea de CA todavía ve una resistencia, pero el valor de la resistencia se cambia lentamente según sea necesario para mantener la tensión del bus cerca de su valor objetivo.

Puede consultar mi Control PFC digital para más antecedentes sobre PFC y una manera que se me ocurrió para mantener la corriente proporcional a la tensión sin tener que medir la corriente. Tengo una patente sobre eso, que también incluye el uso de la computación digital para controlar la tensión del bus con mayor precisión. Con un poco de potencia de cálculo, se puede saber qué ondulación se produce en el bus debido al seguimiento de la tensión de la línea de CA y, a continuación, utilizarla para determinar qué ha cambiado debido a la variación de la demanda de la carga. Esto permite ajustar a los cambios de carga más rápidamente que el enfoque convencional, pero sin derrotar a la función PFC.