Leistungsfaktorkorrektur

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Manchmal setzen wir in der Entwicklung weniger Ressourcen und Entwicklungszyklen ein, als wir könnten – nicht, weil wir es so wollen oder ein nachhaltigeres Produkt anstreben, sondern weil wir es müssen. Die Blindleistungskompensation ist ein Musterbeispiel für (eine oder mehrere) Schaltungen, die nicht zur Größen-, Gewichts- oder Leistungsoptimierung beitragen, obwohl sie entscheidend für die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) sind und in erheblichem Maße Netzverluste reduzieren.

Schein-, Wirk- und Blindleistung

Die elektrische Leistung kann in Watt gemessen werden, indem man die Spannung mit dem Strom multipliziert. Dies ist jedoch nur bei rein ohmschen Schaltungen eine genaue Berechnung der nutzbaren Leistung. Wenn die Eingangsstrom- und -spannungswellenformen aufgrund der Reaktanz eines Energiespeicherelements (d.h. einer induktiven oder kapazitiven Last) falsch ausgerichtet oder phasenverschoben sind, gilt diese vereinfachte Beziehung nicht mehr.

Die Auswirkung von falsch ausgerichteten Spannungs- und Stromwellenformen ist, dass nicht die gesamte angelegte Leistung (Scheinleistung) als nutzbare oder aktive Leistung an die Last geliefert werden kann, da ein Teil der Energie in die Versorgung zurückgeführt oder reflektiert wird (Blindleistung).

Die folgende Abbildung veranschaulicht dies grafisch und bietet eine schöne Gedächtnisstütze (CIVIL), um sich die Strom-/Spannungsbeziehung je nach Art des reaktiven Elements zu merken.



Abbildung 1 – AC-Spannung, Strom und Scheinleistung für eine hauptsächlich induktive Last. Der Strom hinkt der Spannung hinterher und die Blindleistung kann negativ werden (die Last speist Energie in die Quelle zurück) [1]


Diese Konzepte und ihre Beziehung werden in der folgenden Abbildung sowohl mathematisch als auch grafisch anhand eines Bierglases verdeutlicht (die Schaumkrone „arbeitet“ nicht).



Abbildung 2 - Scheinleistungsvektordiagramm. Blindleistung leistet keine nützliche Arbeit - wie der Schaum in einem Bierglas [1]


Was ist die Leistungsfaktorkorrektur (PFC)?

Der Leistungsfaktor (PF) ist als das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung (oder Kosinus des Phasenwinkels zwischen den Wellenformen, die in der Abbildung oben als ϕ dargestellt sind) definiert. Betrachten Sie ihn als den Prozentsatz der verfügbaren Leistung, der tatsächlich an die Last gelangt: Was passiert mit dem Rest der Leistung (PF < 1)? Die Physik sagt uns, dass diese „andere“ Leistung, wenn sie nicht an die Last geht, woanders hingehen muss, d.h. sie wird in die Stromversorgung zurückreflektiert und nicht genutzt. Ein idealer PF (PF = 1) kann nur erreicht werden, wenn zwischen der Spannungs- und der Stromwellenform ein Phasenwinkel von 0° besteht, d.h. die gesamte zugeführte Energie wird von der Last genutzt und nichts davon wird in die Versorgung zurückreflektiert.



Gleichung 1 - Definition des Leistungsfaktors, wobei ϕ der Phasenwinkel ist


Wenn der Leistungsfaktor also so nahe wie möglich bei eins liegt, maximiert man die Nutzung der gelieferten Energie. Leistungsfaktorkorrektur (PFC) ist die Bezeichnung für Schaltungen, die die Strom- und Spannungswellenformen neu ausrichten, um den Leistungsfaktor zu verbessern. PFC-Lösungen können entweder passiv (z.B. durch Hinzufügen von Induktivität, um dem Effekt einer hauptsächlich kapazitiven Last entgegenzuwirken) oder aktiv (unter Verwendung von Schalttransistoren zur Steuerung der Stromwellenformen) sein.

Motivation? -> Aber wieso eigentlich eine PFC? Die meisten Stromzähler messen nur die verbrauchte Wirkleistung und ignorieren die Blindleistung. Der Stromversorger muss jedoch immer noch genügend Reserven bereitstellen, um den momentanen Stromverbrauch einschließlich der Blindenergie zu decken. Daher werden die Mindestanforderungen an den Wirkungsgrad in der Regel per Erlass (z.B. in Form von Vorschriften und Verordnungen) festgelegt, da die Energieversorger ihre Kosten für die Stromerzeugung und -übertragung senken müssen. Andernfalls würde sich kein Hersteller dafür entscheiden, seine Stromversorgung mit zusätzlichen Kosten zu belasten (oder auch nur einen kleinen Verlust an Gesamteffizienz in Kauf zu nehmen). Tatsächlich widersprechen PFC-Lösungen in den meisten Fällen den grundlegenden Wertvorstellungen der Maximierung der Faktoren Größe, Gewicht und Leistung (auch bekannt als SWaP), da ein PFC-Frontend Platz benötigt und die Gesamtverluste erhöht. Kurz gesagt, die meisten Ingenieure bauen sie ein, weil sie es müssen, nicht weil sie es wollen!

PF Beitrag zu Oberwellenschwingungen & THD

Wir kommen nun auf die Frage zurück, wohin die Blindleistung geht. Bei den Wellenformen der Eingangsspannung und des Stroms (Effektivwert) handelt es sich um sinusförmige Wellenformen, die sich als eine unendliche Reihe periodischer Funktionen mit harmonischen Frequenzen der Grundwelle darstellen lassen (diese Oberwellen werden Fourier-Reihe genannt [2]). Die geradzahligen Oberschwingungen heben sich auf, so dass die gesamte harmonische Energie nur bei den ungeradzahligen Oberschwingungen zu sehen ist. Die meiste Energie wird bei der dritten Oberwelle (d.h. der ersten ungeraden Oberwelle nach der Grundwelle) freigesetzt und nimmt tendenziell ab, wenn Sie in der Reihe nach oben gehen. Diese Oberschwingungen verursachen Verzerrungen in den Wellenformen der Eingangsspannung und des Stroms, deren Summe als Gesamtverzerrung (Total Harmonic Distortion - THD) bezeichnet wird. Ein niedriger PF bedeutet eine größere Verzerrung auf der Eingangsleitung, weshalb für Anwendungsfälle, in denen viele Netzteile auf demselben Eingangskreis installiert werden, höhere PF-Mindestanforderungen gelten. HINWEIS: Stromversorgungslösungen, die alle ordnungsgemäßen Grenzwerte einhalten, können dennoch die Qualität der Stromleitung beeinträchtigen, wenn sie auf zu viele Geräte skaliert werden. Selbst bei einem sehr hohen PF (d.h. >0,98) werden die kumulativen Effekte der reaktiven Komponenten bei einer ausreichend großen Anzahl von Geräten schließlich signifikant.



Abbildung 3 - Verzerrte Eingangsstromwellenformen und zugehöriges Oberwellenprofil [1]


Wie weit man bei den Frequenzen gehen müssen, hängt von der Grundfrequenz ab, kann aber leicht bis zu den Funkfrequenzen (RF) reichen. Da diese HF-Energie als leitungsgebundene (zurück auf die Leitung) und abgestrahlte (in die Umgebung) elektromagnetische Energie ausgestrahlt wird, gibt es internationale Normen/Verordnungen, die die Einhaltung von Grenzwerten für die Emission elektromagnetischer Energie bei bestimmten Frequenzen regeln. Die folgende Tabelle fasst einige dieser Verweise zusammen und zeigt, wo sie zu finden sind. Die meisten beziehen sich auf die Grenzwerte für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und elektromagnetische Interferenzen (EMI), so dass Sie sich die verschiedenen Frequenzbereiche und Grenzwerte ansehen können, um zu verstehen, worauf Sie sich einlassen.

Name der Norm/Verordnung Beschreibung der Norm/Verordnung Web Link
US CFR FCC Titel 47, Teil 15 Hochfrequenz-Geräte - Geleitete (0,15-30MHz) & gestrahlte (30-1000MHz) EMI-Grenzwerte https://www.ecfr.gov/current/title-47/chapter-I/subchapter-A/part-15
CISPR 32:2015+AMD1:2019 CSV (Konsolidierte Fassung) Elektromagnetische Verträglichkeit von Multimedia-Geräten - Anforderungen an die Störaussendung https://webstore.iec.ch/publication/65836
EMV-Richtlinie, 2004/108/EC EU-Richtlinie über elektromagnetische Verträglichkeit https://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2004:390:0024:0037:en:PDF
IEC 61000-3-2 Ed. 5.1 en:2020 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) - Teil 3-2: Grenzwerte - Grenzwerte für Oberschwingungsströme (Geräteeingangsstrom 16A pro Phase) - PFC erforderlich für Netzteile >75W, 25W für LED-Treiber. https://webstore.ansi.org/Standards/IEC/IEC61000Eden2020
IEC 60601-1-2 Vers. 2.0 en:2001 Medizinische elektrische Geräte - Teil 1-2: Allgemeine Festlegungen für die Sicherheit - Ergänzende Norm: Elektromagnetische Verträglichkeit - Anforderungen und Prüfungen https://webstore.ansi.org/Standards/IEC/IEC60601Eden2020-2421828


Tabelle 1 - Weltweite EMV-Normen


Während die meiste Aufmerksamkeit der Sicherstellung der EMV für das zu prüfende System oder Gerät (DUT) gilt, kann das DUT auch für externe HF-Emissionen aus der Umgebung empfindlich sein. Ein Beispiel für eine solche Anfälligkeit ist der Beschuss mit hochenergetischen Strahlungsteilchen (typischerweise aus dem Weltraum), der die Designer dazu veranlasst, Immunität (z.B. strahlungsgehärtet oder „rad-hard“, in diesem Beispiel) in ihre Designs einzubauen und Anfälligkeitstests als Teil des Qualifizierungsprozesses durchzuführen.

Kurzer Überblick über die PFC-Lösungen

Wenn Sie sich an unsere CIVIL-Merkhilfe erinnern, bewirkt die Kapazität, dass die Stromwellenform der Spannungswellenform vorauseilt und umgekehrt für die Induktivität, was bedeutet, dass wir diese Elemente verwenden können, um den Phasenwinkel in die eine oder andere Richtung zu verschieben, um einen maximalen PF zu erreichen. Die direkte Verwendung dieser Energiespeicherelemente am Eingang eines Netzteils wird als passive PFC bezeichnet. Die Verwendung von Elementen mit einem Halbleiterschalter (im Wesentlichen das Hinzufügen eines zusätzlichen Schaltnetzteils am Eingang) wird als aktive PFC bezeichnet.

Die einfachste Form der passiven PFC ist das Hinzufügen einer Seriendrossel (auch bekannt als PFC-Drossel) vor der Wandlerstufe des Netzteils, wie in der Abbildung unten mit der resultierenden Wellenform dargestellt. Dies ist zwar einfach, hat aber den Nachteil, dass in der Regel eine größere/schwerere Drossel benötigt wird und der maximal erreichbare PF auf ~0,7 begrenzt ist (gegenüber ~0,4 ohne PFC). Außerdem muss die PFC-Drossel für einen begrenzten Eingangsspannungsbereich ausgelegt sein, was für die Entwicklung von Netzteilen mit Weitbereichseingang unerwünscht ist und wiederum eine größere/schwerere Lösung erfordert.



Abbildung 4 - Passive PFC: Die PFC-Drossel gleicht die durch den Ausgangskondensator C verursachte Phasenverschiebung teilweise aus. Das resultierende Spannungs-/Stromdiagramm zeigt, wie der Eingangsstrom durch die PFC-Drossel „verzögert“ wurde, um einen besseren PF-Gesamtwert zu erhalten. [1]


Aktive PFC-Lösungen schmälern die meisten der gerade erwähnten Nachteile ab. Die gängigste Topologie für aktive PFC ist der Aufwärtswandler (auch bekannt als Step-up oder boost stage). Innerhalb dieser Klasse der Leistungsumwandlung gibt es eine Handvoll Topologien (d.h. diskontinuierlicher Leitungsmodus (DCM), kontinuierlicher Leitungsmodus (CCM) und kritischer Leitungsmodus (CrCM) oder Boundary Mode) für die Implementierung von aktiver PFC, aber ein umfassender Überblick über diese Topologien würde den Rahmen dieser Diskussion sprengen und ist in [1] zu finden.

Ein Aufwärtswandler erhöht die Spannung am Eingangskondensator und hält ihn über einen weiten Spannungsbereich geladen, wodurch eine universelle AC-Kompatibilität unterstützt wird. Er wird versuchen, einen Einheits-PF zu erreichen, indem er sicherstellt, dass der durchschnittliche Eingangsstrom durch die PFC-Drossel der Eingangsspannung über eine der oben erwähnten Topologien genau folgt. Jede Topologie hat ihre eigenen Kompromisse in Bezug auf SWaP-Faktoren und EMI-Auswirkungen. Die Abbildung unten zeigt ein Beispiel für eine aktive PFC-Schaltung, die von einem speziellen Controller mit Eingangs- und Ausgangsspannungswellenformen gesteuert wird.



Abbildung 5 - Aktive PFC-Schaltung. [1]


Eine modernere Variante der aktiven PFC macht sich eine einzigartige Eigenschaft von Galliumnitrid-Schaltern (GaN) zunutze, die (im Gegensatz zu Silizium-MOSFETs) keine Bodydiode hat, wodurch kein Stromfluss durch sie zustande kommt, somit kann eine effizientere PFC-Implementierung ermöglicht werden. Dies wird als brückenlose PFC (auch bekannt als Totem-Pol-PFC) bezeichnet. In der folgenden Abbildung sehen Sie eine Beispielschaltung mit dem zugehörigen Controller-Block, die den Unterschied zwischen GaN- und Si-Schaltern verdeutlicht.



Abbildung 6 - Blockdiagramm eines brückenlosen PFC-Controllers (mit digitaler Steuerung und Kompensation), Q1/2 sind GaN & Q3/4 sind Si (mit Bodydioden). [1]


Eine letzte Überlegung für PFC-Implementierungen besteht darin, die Vorteile von mehrphasigen Stromversorgungen zu nutzen, wie z.B. geringere Wärmeentwicklung und Komponentenbelastung, indem der von jedem Zweig verarbeitete Strom halbiert und am Ausgang phasenverschoben kombiniert wird. Die Größe einer PFC-Stufe wird maßgeblich durch die Wickelgüter bestimmt, mit der Aufteilung auf mehrere Phasen kann der Strom reduziert werden, damit auch die Baugröße.



Abbildung 7 - Eine verschachtelte PFC-Schaltung. [1]


Ganz gleich, ob man versucht, die EMV-Leistung zu maximieren und/oder eine akzeptable Leitungsqualität bei Verteilungen mit einer großen Anzahl von Geräten an einem einzigen Eingangsbus zu gewährleisten, PFC ist mehr als nur ein „Nice-to-have“-Feature und sollte als Teil einer Gesamtlösung für die Stromversorgung und den Einsatz ernsthaft in Betracht gezogen werden.

Referenzen

[1] S. Roberts, “AC/DC Book of Knowledge: Practical tips for the User,” Second Edition, RECOM Power Technical Reference, 2019, https://recom-power.com/en/support/resource-library/book-of-knowledge/book-of-knowledge.html.
[2] Wikipedia contributors, "Fourier series," Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Fourier_series&oldid=1086936212 (accessed June 24, 2022).