PFC в блоке питания: назначение и принцип работы

Максим Исаев
Время чтения: 5 мин
257

Назначение PFC модуля

Корректор коэффициента мощности (ККМ) или PFC – применяется в импульсных блоках питания, где мощность превышает 50 Вт и более. В маломощных ИБП как правило не применяется.

В импульсном блоке питания входная цепь строится по стандартной схеме. 

Классическая схема выпрямления переменного тока
Классическая схема выпрямления переменного тока

На входе имеется диодный мост, после него устанавливается сглаживающий электролитический конденсатор. Выпрямитель построенный по такой схеме потребляет ток из сети  не по синусоидальному закону, а импульсами тока. В этом случае эти блоки могут потреблять очень большие токи из сети.

Диаграмма работы мостового выпрямителя
Диаграмма работы мостового выпрямителя

Если рассматривать график работы преобразователя то можно заметить следующее: при выпрямлении переменного тока диодным мостом получаются полуволны синусоидального напряжения. 

На выходе устанавливается конденсатор, который заряжается до максимального амплитудного значения. Когда напряжение начинает уменьшаться, то конденсатор начинает разряжаться и при достижении определенного значения следующей полуволны начинает заряжаться, потребляя ток из сети, до достижения максимального значения. 

Этот процесс повторяется от полуволны к полуволне. Таким образом потребление тока сосредоточено в очень короткие промежутки времени. Чем больше мощность нагрузки, тем быстрее будет разряжаться конденсатор и тем больше будет время в течении которого он будет заряжаться до амплитудного значения. Это напряжение будет составлять примерно 300 – 310 Вольт ( всё зависит от входного напряжения сети).

Так как при проектировании таких блоков необходимо делать пульсации на выходе минимальными, емкость конденсатора выбирается большой величины. Это связано с тем, чтобы конденсатор заряжался на каждой полуволне в течении короткого промежутка времени, при этом ток из сети будет потребляться импульсами. Когда ток заряжает конденсатор, он определяет угол прохождения тока через выпрямитель. 

Потребление тока из сети в классической схеме
Потребление тока из сети в классической схеме

Данный угол называется коэффициентом мощности нагрузки и зависит от импеданса источника питания, емкости конденсатора фильтра и от величины нагрузки. При малой нагрузки величина небольшая, а при увеличении она возрастает до 25-30 градусов. Из этого следует, что ток в нагрузке не является непрерывным, а имеет импульсное значение большой амплитуды с определенными гармониками.

Для устранения потребления тока из сети импульсами, создан ряд определенных устройств, которые называются корректорами коэффициента мощности. 

Виды корректора коэффициента мощности

Существуют следующие схемы коррекции:

  • пассивная
  • активная

Для пассивной коррекции коэффициента мощности применяются схемы с индуктивностью во входной цепи. После диодного моста подключается дроссель, а уже за ним ставиться конденсатор и осуществляется пассивная коррекция коэффициента мощности.

Пассивная схема PFC
Пассивная схема PFC

Если установить большую величину дросселя,то он запасает большое количество энергии, что хватает на весь период работы, уменьшая гармонические колебания, возникающие при превышении тока через выпрямитель. 

Диаграмма работы пассивной схемы PFC
Диаграмма работы пассивной схемы PFC

На практике схема уменьшает гармоники, улучшает коэффициент коррекции мощности, но не решает проблему полностью.

При активной коррекции коэффициента мощности, нагрузка ведет себя как активное сопротивление.

Ток потребляемый из сети носит не импульсный характер, а по форме близок к синусоиде. Входной ток по форме и фазе должны совпадать. 

Схемотехника ККМ может быть различной: повышающая и понижающая. Больше всего используется в импульсных блоках питания повышающая схема, так как она позволяет получить близкое значение к единице COS (F). Данные преобразователи повышают напряжение на электролитическом конденсаторе выпрямителя, снижая ток в высоковольтной части ИБП. Большинство схем ККМ строятся по схеме повышающих DC-DC преобразователей.

Схема повышающей активной PFC
Схема повышающей активной PFC

Работа данного преобразователя рассмотрим при помощи графических осциллограмм и принципиальной схемы. Для проверки поступающих импульсов на затвор транзистора G необходимо применять осциллограф.

Принцип работы схемы PFC

Входная цепь коэффициента коррекции мощности имеет диодный мост. На него поступает напряжение 220V 50Hz, а на выходе диодного моста получаем постоянное напряжение с частотой пульсаций 50Hz.

Это напряжение подается уже не на конденсатор фильтра, как в классической схеме, а на повышающий преобразователь, выполненный из: 

  • дросселя L 
  • MOSFET- транзистора 
  • PFC-ШИМ контроллера
  • диода подсоединенного к выводу конденсатора фильтра (вывод +) 
Диаграмма работы активной схемы PFC
Диаграмма работы активной схемы PFC

Основной задачей данного преобразователя является получить форму тока потребления не импульсами из сети, а такую же как форма напряжения, то есть близкую к синусоидальной.

Для получения заданной формы необходимо чтобы импульсы формировались на ключевом транзисторе затвора некоторыми управляющими напряжениями. 

На выходе диодного моста имеется напряжение большой амплитуды и для формирования импульсов силового транзисторного ключа должно выполняться 2 условия:

  1. На формирователь импульсов подается выпрямленное пульсирующее напряжение через делитель Rд состоящий из резисторов R1, R2, R3 уменьшая амплитуду, а форма напряжения остается такой же.
  2. Необходимо отслеживать ток потребления от сети. Данную функцию реализуем при помощи резистора R’д в цепи истока MOSFET – транзистора. Таким образом ток будет проходить через дроссель L и отслеживаться микросхемой D1 по выводу CS.

Эти условия являются основными для реализации схемы PFC 

Импульсы на затворе транзистора необходимо формировать таким образом, чтобы когда он начинает открываться (появлялся открывающий уровень напряжения) и через дроссель начинал протекать ток. 

Этот ток нарастает по линейному закону и протекает через датчик тока (R’д). Когда напряжение с данного датчика тока сравняется с напряжением выпрямленным выпрямителем после делителя Rд и R’д то транзистор должен закрываться. Когда ток протекающий через дроссель будет равен нулю, транзистор заново будет открываться и ток будет плавно увеличиваться до следующего совпадения значений напряжения на датчике тока и выпрямленного напряжения с диодного моста ограниченного делителем. И данный процесс будет повторяться в течении всего периода.

При работе устройства вначале синусоиды транзистор будет открываться на небольшое время, а когда синусоида приближается к максимальному значению транзистор открывается на большее время.

Для стабилизации выходного напряжения сигнал с конденсатора С1 поступает на формирователь импульсов через Rобр, где в микросхеме D1 через вывод FB вырабатывается сигнал ошибки. Данный сигнал влияет на длительность импульса, который формируется для управления транзистором, с вывода GO микросхемы PFC ШИМ. На длительность импульсов влияет не только входное, но и выходное напряжение.

В зависимости от нагрузки подключения, напряжение на выходе будет меняться и будет меняться сигнал ошибки, и сигнал будет влиять на длительность импульса. В этом случае потребление входного тока сводится практически к синусоидальному виду и появляется стабилизация выходного напряжения. 

Выводы:

  • В большинстве электронных устройств используются данные преобразователи, что исключает: перекос фаз, уменьшение нагрузки на сети, не искажает форму напряжения сети.
  • Подробно изучить работу ККМ модуля вы можете на курсе электроники
Оцените материал:
0 оценок, среднее: 0,00 из 50 оценок, среднее: 0,00 из 50 оценок, среднее: 0,00 из 50 оценок, среднее: 0,00 из 50 оценок, среднее: 0,00 из 5
Загрузка...

Комментарии

guest
0 Комментарий
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии