Коэффициент мощности и фактор наличия гармоник сетевой частоты являются важными показателями качества электроэнергии, особенно для электронного оборудования, которое этой электроэнергией питается.
Для поставщика переменного тока желательно, чтобы коэффициент мощности потребителей был приближен к единице, а для электронных приборов важно чтобы гармонических искажений было бы как можно меньше. В таких условиях и электронные компоненты устройств проживут дольше, и нагрузке будет более комфортно работать.
В реальности же имеет место проблема, которая состоит в том, что обычный линейный источник питания не способен обеспечить электронное оборудование электроэнергией должного качества, да еще и с высоким КПД. В итоге приходится мириться с тем, что КПД сетевого блока питания в 80% при коэффициенте мощности стремящимся к 0,7 стало принято считать нормой.
А причина данной проблемы кроется в том, что на входе обычного импульсного блока питания стоит диодный мост с конденсатором фильтра, и будь потребитель выпрямленного тока даже линейной нагрузкой, все равно ток, подаваемый из сети на диодный мост, будет иметь всплески, ярко выраженные обособленные пики, между которыми расположены промежутки нулевого потребления тока от сети.
Это происходит потому, что конденсатор фильтра заряжается и разряжается не равномерно, что и приводит к снижению коэффициента мощности, - фактически энергия из сети потребляется в течение коротких импульсов, - по одному импульсу тока на каждые пол периода сетевой синусоиды.
В схеме, которая получает питание от такого конденсатора фильтра, данное явление порождает высокие гармонические искажения. А коэффициент мощности у нагрузки, питаемой от такого простого выпрямителя с конденсатором, как правило не превысит и 0,3.
Существует простой «пассивный» способ немного сгладить острые токовые пики, чуть-чуть повысить коэффициент мощности и слегка снизить таким образом гармоники. Способ заключается в добавлении катушки индуктивности между диодным мостом и конденсатором фильтра. Это немного округлит пики в сторону сближения с синусоидальной формой.
Однако и в данном случае коэффициент мощности окажется по-прежнему далеким от единицы (около 0,7), ведь форма потребляемого тока снова совсем не синусоидальна. И когда такого плана потребителей различной мощности к сети подключено много, это становится серьезной проблемой для генерирующей электроэнергию стороны.
Лучший способ повышения коэффициента мощности и снижения гармоник сетевой частоты — применение в импульсных блоках питания относительно простых схем активной коррекции коэффициента мощности (PFC) на базе импульсного повышающего преобразователя типа boost converter. Здесь в схему входного выпрямителя добавляется не только катушка индуктивности, но и полевой транзистор с драйвером и контроллером, а также диод.
В процессе работы схемы активной коррекции коэффициента мощности (active PFC) полевой транзистор быстро переключается между двумя состояниями.
Первое состояние — когда ключ замкнут, дроссель получает питание от выпрямителя, запасает энергию в магнитном поле, при этом диод смещен в обратном направлении, и нагрузка получает питание только от конденсатора фильтра.
Второе состояние — когда транзистор разомкнут, в эту часть цикла диод переходит в проводящее состояние, и дроссель теперь передает энергию к нагрузке и заряжает конденсатор. Такие переключения происходят с частотой в несколько десятков килогерц на каждой полуволне сетевой синусоиды.
Схема управления ключом регулирует длительность промежутков времени, - как долго дроссель подключен к сети и как долго отдает энергию в конденсатор, с тем, чтобы напряжение на конденсаторе поддерживалось на постоянном уровне, как и средний ток дросселя. Данная схема позволяет повысить коэффициент мощности блока питания до 0,98.
Грамотное управление ключом необходимо для того, чтобы ток потребления находился в фазе с переменным напряжением сети. С этой целью контроллер формирует ШИМ сигнал управления затвором полевого транзистора, чтобы на пике синусоиды дроссель получал энергию менее продолжительно, чем вблизи нулевого напряжения (более продолжительно).
Контроллер PFC имеет цепь обратной связи по выходному напряжению (которое сравнивается с опорным и поддерживается постоянным посредством ШИМ) а также датчик входного напряжения и тока дросселя, чтобы точно, в режиме реального времени, отслеживать средний ток дросселя для обеспечения нагрузке максимального коэффициента мощности.