Принцип работы pfc в блоке питания телевизора

Обновлено: 15.01.2025

Обычная, классическая, схема выпрямления переменного напряжения сети 220V состоит из диодного моста и сглаживающего конденсатора. Проблема в том, что ток заряда конденсатора носит импульсный характер (длительность порядка 3mS) и, как следствие этого, очень большим током. Например, для БП с нагрузкой в 200W средний ток из сети 220V будет 1A, а импульсный - в 4 раза больше. Если таких БП много и (или) они мощнее? . тогда токи будут просто сумасшедшими - не выдержит проводка, розетки, да и платить придется больше за электричество, ведь качество тока потребления весьма сильно учитывается. Например, на больших заводах имеются специальные конденсаторные установки для компенсации "косинуса". В современной компьютерной технике столкнулись с теми же проблемами, но ставить многоэтажные конструкции никто не будет, и пошли другим путем - в блоках питания ставят специальный элемент по уменьшению "импульсности" потребляемого тока - PFC. Он встраивается между выпрямителем и конденсатором, ограничивает ток по амплитуде и растягивает во времени. PFC бывают пассивными и активными, что определяется демпфирующим элементом.

Пассивные PFC

Пассивные PFC делают на реактивном элементе - дросселе. К сожалению, для получения приемлемой эффективности его размеры получаются соизмеримы с размерами трансформаторного варианта построения этого блока питания, что экономически не выгодно. Большие геометрические размеры дросселя получаются потому, что он должен работать на частоте 50Hz (точнее 100Hz из-за удвоения частоты после выпрямления) и он никак не может быть меньше соответствующего трансформатора на такую же мощность. Довольно часто в БП под вывеской "пассивный PFC" скрывается дроссель весьма малых размеров. Точнее сказать, там не может быть дросселя достаточных размеров из-за весьма ограниченного места в корпусе обычного компьютерного БП. Подобный декоративный PFC может испортить динамические характеристики БП или стать причиной неустойчивой работы.

Если провести моделирование пассивных PFC, то хорошо видна разница между ними:

Разные типы разделены цветами:

красный - обычный БП без PFC,
желтый - увы, "обычный БП с пассивным PFC",
зеленый - БП с пассивным PFC достаточной индуктивности.

На модели показаны процессы при включении БП и кратковременном провале через 250mS. Большой выброс напряжения при наличии пассивного PFC получается потому, что в дросселе накапливается слишком большая энергия при заряде сглаживающего конденсатора. Для борьбы с этим эффектом производят постепенное включение БП - вначале последовательно с дросселем подключается резистор для ограничения стартового тока, потом он закорачивается. Для БП без PFC или с декоративным пассивным PFC эту роль выполняет специальный терморезистор с положительным сопротивлением, т.е. его сопротивление сильно возрастает при нагревании. При большом токе такой элемент очень быстро нагревается и величина тока уменьшается, в дальнейшем он охлаждается из-за уменьшения тока и никакого влияния на схему не оказывает. Т.о., терморезистор выполняет свои ограничивающие функции только при очень больших, стартовых токах. Для пассивных PFC импульс тока при включении не так велик и терморезистор зачастую не выполняет свою ограничивающую функцию. В нормальных, больших пассивных PFC кроме терморезистора ставится еще специальная схема, а в "традиционных", декоративных этого нет.

И по самим графикам. Декоративный пассивный PFC дает всплеск напряжения, что может привести к пробою силовой схемы БП, усредненное напряжение несколько меньше случая без_PFC и при кратковременном пропадании питания напряжение падает на бОльшую величину, чем без_PFC. На лицо явное ухудшение динамических свойств. Нормальный пассивный PFC также имеет свои особенности. Если не учитывать начального всплеска, который в обязательном порядке должен быть компенсирован последовательностью включения, то можно сказать следующее:

Выходное напряжение стало меньше. Это правильно, ведь оно равно не пиковому входному, как для первых двух типов БП, а "действующему". Отличие пикового от действующего равно корню из двух.
Пульсации выходного напряжения значительно меньше, ведь часть сглаживающих функций переходит на дроссель.
Провал напряжения при кратковременном пропадании напряжения также меньше по той же причине.
После провала следует всплеск. Это очень существенный недостаток и это основная причина, почему пассивные PFC не распространены. Этот всплеск происходит потому же, почему он происходит при включении, но для случая начального включения специальная схема может что-то откорректировать, то в работе это сделать много труднее.
При кратковременном пропадании входного напряжения выходное меняется не так резко, как в других вариантах БП. Это очень ценно, т.к. медленное изменение напряжения схема управления БП отрабатывает весьма успешно и никаких помех на выходе БП не будет.

Для других вариантов БП при подобных провалах на выходах БП обязательно пойдет помеха, что может сказаться на надежности функционирования. Как часты кратковременные пропадания напряжения? По статистике, 90% всех нестандартных ситуаций с сетью 220V приходится как раз на такой случай. Основной источник возникновения, это переключения в энергосистеме и подключение мощных потребителей.

На рисунке показана эффективность PFC по уменьшению импульсов тока:

Для БП без PFC сила тока достигает 7.5A, пассивный PFC уменьшает ее в 1.5 раза, а нормальный PFC уменьшает ток значительно больше.

Активные PFC

Активный PFC это, по сути, еще один преобразователь, который встраивается между выпрямителем и конденсатором. Обычно, это повышающий преобразователь (StepUp) и он стабилизирует напряжение на выпрямительном конденсаторе на уровне, несколько бОльшем, чем максимальное напряжение в входной сети, обычно это 400V. Отличие активного PFC от простого преобразователя в том, что он питается от несглаженного напряжения и ограничивает свой ток из источника так, чтобы он соответствовал желательному, приближал форму тока к виду резистивной нагрузки. У активного PFC все свойства хорошего пассивного PFC без его недостатков. К достоинствам PFC в целом надо отнести:

хорошую фильтрацию помех из сети 220V, особенно в пассивных PFC;
вообще говоря, емкость конденсатора входного выпрямителя можно уменьшить в 2 раза - из-за накопления энергии в схеме PFC требования к емкости конденсатора смягчаются. Для случая декоративного пассивного PFC этот конденсатор нельзя уменьшать - стартовый бросок напряжения увеличится еще больше;
значительно бОльший рабочий диапазон входного напряжения для активного PFC. Дело в том, что при заниженном входном напряжении активный PFC будет пытаться стабилизировать напряжение на выпрямительном конденсаторе.

Т.е. у всей схемы появились положительные свойства FlyBack без ее недостатков в превышении мощности и напряжения питания. Недостаток PFC один - повышение стоимости и увеличение размера БП.

Основные элементы блока PFC - полевой транзистор трансформатор диод Шоттки и ШИМ.

Встречающиеся неисправности:

1. Работает дежурный режим. Телевизор включается, но он тут же после включения выключается. Это может говорить о выходе из строя PFC. Проверяется следующим образом: Меряем напряжение на входном кондере в дежурном режиме (должно быть 280В - 290В), затем включаем ТВ. Вмсте с включением ТВ должен включаться PFC и напряжение на конденсаторе должно повыситься до ~400В. Если этого не происходит - надо смотреть PFC. Если напряжение поднимается - это нормально и можно смотреть дальше: драйвер подсветки, прошивку и прочее.

2. На блок PFC идет "+" с диодного моста, выход идет на конденсатор, и переменка через резисторы - это необходимо, чтобы PFC "знал синусоиду" на входе и исходя из этого управлял зарядкой конденсатор. Эти резисторы иногда обрывает, на них тоже стоит обращать внимание.

Собственно фактором или коэффициентом мощности называется отношение активной мощности (мощности, потребляемой блоком питания безвозвратно) к полной, т.е. к векторной сумме активной и реактивной мощностей. По сути коэффициент мощности (не путать с КПД!) есть отношение полезной и полученной мощностей, и чем он ближе к единице – тем лучше.

PFC бывает двух разновидностей – пассивный и активный.
При работе импульсный блок питания без каких-либо дополнительных PFC потребляет мощность от сети питания короткими импульсами, приблизительно совпадающими с пиками синусоиды сетевого напряжения.

Наиболее простым и потому наиболее распространенным является так называемый пассивный PFC, представляющий собой обычный дроссель сравнительно большой индуктивности, включенный в сеть последовательно с блоком питания.

Пассивный PFC несколько сглаживает импульсы тока, растягивая их во времени – однако для серьезного влияния на коэффициент мощности необходим дроссель большой индуктивности, габариты которого не позволяют установить его внутри блока питания (компьютерного или в телеке- разницы нет). Типичный коэффициент мощности БП с пассивным PFC cоставляет всего лишь около 0,75.

Активный PFC представляет собой еще один импульсный источник питания, причем повышающий напряжение.
Очень часто его еще называют "подкачкой" или "прекондеем"
Как видно, форма тока, потребляемого блоком питания с активным PFC, очень мало отличается от потребления обычной резистивной нагрузки – результирующий коэффициент мощности такого блока может достигать 0,95. 0,98 при работе с полной нагрузкой.

Правда, по мере снижения нагрузки коэффициент мощности уменьшается, в минимуме опускаясь примерно до 0,7. 0,75 – то есть до уровня блоков с пассивным PFC. Впрочем, надо заметить, что пиковые значения тока потребления у блоков с активным PFC все равно даже на малой мощности оказываются заметно меньше, чем у всех прочих блоков.

Помимо того, что активный PFC обеспечивает близкий к идеальному коэффициент мощности, так еще, в отличие от пассивного, он улучшает работу блока питания - он дополнительно стабилизирует входное напряжение основного стабилизатора блока – блок становится заметно менее чувствительным к пониженному сетевому напряжению, также при использовании активного PFC достаточно легко разрабатываются блоки с универсальным питанием 110. 230В, не требующие ручного переключения напряжения сети.

Такие БП имеют специфическую особенность – их эксплуатация совместно с дешёвыми ИБП, выдающими ступенчатый сигнал при работе от батарей может приводить к сбоям в работе компьютера, поэтому производители рекомендуют использовать в таких случаях ИБП класса Smart , всегда подающие на выход синусоидальный сигнал.

Также использование активного PFC улучшает реакцию блока питания во время кратковременных (доли секунды) провалов сетевого напряжения – в такие моменты блок работает за счет энергии конденсаторов высоковольтного выпрямителя, эффективность использования которых увеличивается более чем в два раза. Ещё одним преимуществом использования активного PFC является более низкий уровень высокочастотных помех на выходных линиях, т.е. такие БП рекомендуются для использования в ПК с периферией, предназначенной для работы с аналоговым аудио/видео материалом.

А теперь немного теории

Например, для БП с нагрузкой в 200W средний ток из сети 220V будет 1A, а импульсный - в 4 раза больше. Если таких БП много и (или) они мощнее? . тогда токи будут просто сумасшедшими - не выдержит проводка, розетки, да и платить придется больше за электричество, ведь качество тока потребления весьма сильно учитывается.

Например, на больших заводах имеются специальные конденсаторные установки для компенсации "косинуса". В современной компьютерной технике столкнулись с теми же проблемами, но ставить многоэтажные конструкции никто не будет, и пошли другим путем - в блоках питания ставят специальный элемент по уменьшению "импульсности" потребляемого тока - PFC.

Разные типы разделены цветами:

красный - обычный БП без PFC,
желтый - увы, "обычный БП с пассивным PFC",
зеленый - БП с пассивным PFC достаточной индуктивности.

Для БП без PFC или с декоративным пассивным PFC эту роль выполняет специальный терморезистор с положительным сопротивлением, т.е. его сопротивление сильно возрастает при нагревании. При большом токе такой элемент очень быстро нагревается и величина тока уменьшается, в дальнейшем он охлаждается из-за уменьшения тока и никакого влияния на схему не оказывает. Т.о., терморезистор выполняет свои ограничивающие функции только при очень больших, стартовых токах.

Для пассивных PFC импульс тока при включении не так велик и терморезистор зачастую не выполняет свою ограничивающую функцию. В нормальных, больших пассивных PFC кроме терморезистора ставится еще специальная схема, а в "традиционных", декоративных этого нет.

- Выходное напряжение стало меньше. Это правильно, ведь оно равно не пиковому входному, как для первых двух типов БП, а "действующему". Отличие пикового от действующего равно корню из двух.
Пульсации выходного напряжения значительно меньше, ведь часть сглаживающих функций переходит на дроссель.
- Провал напряжения при кратковременном пропадании напряжения также меньше по той же причине.
- После провала следует всплеск. Это очень существенный недостаток и это основная причина, почему пассивные PFC не распространены. Этот всплеск происходит потому же, почему он происходит при включении, но для случая начального включения специальная схема может что-то откорректировать, то в работе это сделать много труднее.
- При кратковременном пропадании входного напряжения выходное меняется не так резко, как в других вариантах БП. Это очень ценно, т.к. медленное изменение напряжения схема управления БП отрабатывает весьма успешно и никаких помех на выходе БП не будет.

На рисунке показана эффективность PFC по уменьшению импульсов тока:

PFC - это Power Factor Correction, что переводится с англ. как "Коррекция фактора мощности", встречается также название "Компенсация реактивной мощности".
Применительно к импульсным блокам питания этот термин означает наличие в блоке питания соответствующего набора схемотехнических элементов, который также принято называть "PFC". Эти устройства предназначены для снижения потребляемой блоком питания реактивной мощности. Источники питания без PFC создают мощные импульсные помехи по электросети для параллельно включенных электроприборов.
Для количественной оценки внесенных искажений и помех существует коэффициент мощности (КМ или Power Factor). Собственно фактором (или коэффициентом мощности) называется отношение активной мощности (мощности, потребляемой блоком питания безвозвратно) к полной, т.е. к векторной сумме активной и реактивной мощностей. По сути коэффициент мощности (не путать с КПД!) есть отношение полезной и полученной мощностей, и чем он ближе к единице – тем лучше.

Разновидности PFC

PFC бывает двух разновидностей – пассивный и активный.
Наиболее простым и потому наиболее распространенным является так называемый пассивный PFC. Пассивные PFC делают на реактивном элементе - дросселе. К сожалению, для получения приемлемой эффективности его размеры получаются соизмеримые с размерами трансформаторного варианта построения этого блока питания, что экономически не выгодно. Большие геометрические размеры дросселя получаются потому, что он должен работать на частоте 50Hz (точнее 100Hz из-за удвоения частоты после выпрямления) и он никак не может быть меньше соответствующего трансформатора на такую же мощность. Довольно часто в БП под вывеской "пассивный PFC" скрывается дроссель весьма малых размеров. Точнее сказать, там не может быть дросселя достаточных размеров из-за весьма ограниченного места в корпусе данного БП. Подобный декоративный PFC может испортить динамические характеристики БП или стать причиной неустойчивой работы.

Активный PFC представляет собой еще один импульсный источник питания, причем повышающий напряжение.
Помимо того, что активный PFC обеспечивает близкий к идеальному коэффициент мощности, так еще, в отличие от пассивного, он улучшает работу блока питания - он дополнительно стабилизирует входное напряжение основного стабилизатора блока – блок становится заметно менее чувствительным к пониженному сетевому напряжению, также при использовании активного PFC достаточно легко разрабатываются блоки с универсальным питанием 110. 230В, не требующие ручного переключения напряжения сети.
Также использование активного PFC улучшает реакцию блока питания во время кратковременных (доли секунды) провалов сетевого напряжения – в такие моменты блок работает за счет энергии конденсаторов высоковольтного выпрямителя, эффективность использования которых увеличивается более чем в два раза. Ещё одним преимуществом использования активного PFC является более низкий уровень высокочастотных помех на выходных линиях, т.е. такие БП рекомендуются для использования в ПК с периферией, предназначенной для работы с аналоговым аудио/видео материалом.

Международные организации и PFC

Международная электротехническая комиссия (МЭК) или IEC (International Electrotechnical Commission) и международная организация по стандартизации или ISO (International Organization for Standardization) устанавливают ограничения на содержание и уровни гармоник во входном токе вторичных источников электропитания. Использование электроприборов, не удовлетворяющих стандартам этих организаций, запрещено во многих странах, поэтому разработчики серьезной аппаратуры обязательно должны об этом помнить.

Блок питания (БП) компьютера обладает массой характеристик. Одной из важнейших представляется наличие корректора коэффициента мощности — ККМ, или PFC. Разберемся, что такое корректор зачем он нужен.

Реактивная мощность БП

В блоках питания для обеспечения стабильности напряжения используются емкие конденсаторы. Они обуславливают формирование значительного уровня реактивной мощности ПК. Коэффициент мощности в устройствах составляет 0,7, что предполагает использование проводки с запасом прочности от 30%. Питание проходит по схеме с непостоянной амплитудой, что негативно воздействует на элементы, уменьшая их ресурс.

В блоках нередко используют компоненты, подобранные без учета запаса по силе тока. Чрезмерная нагрузка выводит элементы из строя и приводит к поломке такого оборудования. Для минимизации негативного влияния реактивных мощностей нужен корректор.

Реактивное напряжение не выполняет полезную работу, передвигаясь от генератора к нагрузке, но при этом нагревает провода. Интенсивный нагрев и регулярные перегрузки приводят к перегоранию отдельных элементов электрической цепи или нарушению целостности обмоток проводов.

Коэффициент мощности — что это?

Коэффициентом мощности (КМ или PF) называют отношение активной питающей электрической мощности к полной. Без PF не удастся правильно вычислить параметры нагрузки в сети. PF указывает на то, какова эффективность использования сети блоком питания компьютера.

Без стороннего вмешательства показатель не достигает единицы как максимально полезного значения. PF исправляется PFC — он стремится повысить PF, тем самым уменьшить количество незадействованной мощности, исключить бесполезный оборот энергии.

Для чего нужна корректировка коэффициента

Неиспользованная мощность не фиксируется приборами учета, так что пользователи не платят за подобные траты энергии. Однако это напряжение постоянно перемещается по кабелям, разъемам и контактам, бессмысленно перегружая их.

Для одного пользователя перегрузка сети не так критична, особенно если в технике используется новая функционирующая проводка. Здесь превышения нагрузки оказываются практически не заметными. Но это только в пределах одной квартиры. При рассмотрении общей системы для большого офиса, здания, города или страны лишняя нагрузка будет ощутимой. Там потребление тока исчисляется сотнями Ампер.

Еще одной причиной использовать PFC является непродуманная система конденсатора большой емкости. Он неравномерно потребляет электрический ток, накапливая напряжение в определенные моменты. Когда конденсатор активируется, появляется реактивный бросок тока, искажающий напряжение. Большинство аппаратов рассчитаны на работу с идеальной синусоидой, так что даже небольшие отклонения могут негативно сказаться на состоянии оборудования.

Разновидности блоков питания с ККМ

БП с корректировкой коэффициента мощности делят на две большие группы, по типу встроенного ККМ.

Дроссель — компонент с сопротивлением, по действию противоположный реактивной работе конденсаторов. С его помощью удается снизить негативное влияние реактивных усилий, компенсируя появляющиеся в момент заряда всплески. Коэффициент мощности при этом немного увеличивается, наблюдается стабилизация входного напряжения на блоке стабилизаторов.

Активный — в БК встроен источник питания импульсного типа, повышающий напряжение.

Активная схема ККМ рассчитана на увеличение коэффициента до 0.95, приблизив его к идеалу. Такая система оказывается устойчивой к перепадам напряжения в сети и способна некоторое время работать на заряде встроенных в схему конденсаторов. Такое решение обойдется дороже обычного пассивного корректора.

На рынке представлены блоки питания разных конфигураций как со встроенной коррекцией, так и без нее. Необходимость PFC в каждом конкретном случае определяется индивидуально. Надо понимать особенности использования компьютера. Например, на игровых сборках компонент будет полезен, но необязателен.

За счет снижения уровня помех БП с корректорами удобно применять с периферией, направленной на работу с аналоговыми сигналами. Компьютер с подобным БП станет отличным дополнением для звукозаписывающей студии. Даже начинающим музыкантам рекомендуется оснащать сборки такими БП с корректорами, поскольку это позволит нейтрализовать помехи, а также получить чистое звучание на выходе.

Принцип работы

APFC — система активной коррекции коэффициента. В состав конструкции входят электронные компоненты, требующие отдельного питания. Внутри, помимо стандартного импульсного блока, расположен стабилизатор напряжения.

Принцип действия предполагает накопление электрической энергии в дросселе и передачу ее на нагрузку, когда это потребуется. Использование дросселя приводит к тому, что ток сети отстает от напряжения, а когда напряжение в сети пропадает, проявляется самоиндукция. Причем напряжение самоиндукции нередко приближено к двойному начальному. Так удается работать от малого напряжения в исходной сети.

В задачи активного ККМ входит разделение тока и его точное дозирование через дроссель. APFC должен удерживать 410 В на выходе даже при нестабильности внешних условий и показателей питающей сети.

Процессы внутри блока питания управляются при помощи схемы контроля. Регулировка самоиндукции осуществляется при помощи транзисторов, открывающихся в определенное время. Момент связан с периодом накопления энергии в компонентах системы.

Плюсы и минусы APFC

К преимуществам использования активного ККМ относят:

увеличение коэффициента мощности до 0,9 и выше
возможность работать в нестабильной сети с изменяющимся уровнем напряжения
устойчивость к помехам
получение стабильного напряжения на выходе
незначительные пульсации выходного сигнала
компактные фильтры, работающие на 200 КГц
увеличение КПД. Активные ККМ не влияют напрямую на КПД техники, но они снижают потери в потреблении тока, что в целом повышает полезность действий системы
снижение помех, которые передаются в общую сеть
экономия электроэнергии
снятие чрезмерной нагрузки с проводки
можно отказаться от использования UPS при запуске компьютеров от батарей и бесперебойников.

высокая стоимость блоков питания с хорошими APFC
сложная диагностика и ремонт оборудования
высокая цена на запчасти не всегда оправдывает проведение ремонтных работ
чувствительность к большому пусковому току от бесперебойников.

Энергоэффективность оборудования

В контроле эффективности БП для компьютеров используется программа сертификации 80 PLUS, включенная в международный стандарт энергоэффективности электрических приборов. 80 PLUS оценивает технику по PF и КПД, присваивая класс уровня энергоэффективности. Стандарт указывает на необходимость добиться высоких показателей мощности при определенной нагрузке. Чтобы получить первый уровень 80 PLUS устройства должны иметь КПД 80% и PF не менее 0,8. Для максимального 80 PLUS Titanium нужен КПД от 90% и PF не менее 0,95.

Получить такие показатели в PF можно исключительно при помощи корректоров. Причем наибольшей эффективностью обладает активный ККМ. Он устойчив к кратковременным провалам сетевого напряжения и помогают даже при небольшом входном напряжении получить нужный показатель на выходе.

Выбор в пользу блока питания с APFC представляется удачным решением, помогающим сохранить работоспособность элементов компьютера и питающей сети.

Иногда вследствие увеличения доли реактивной мощности, наличия нелинейных искажений и гармоник, значительно увеличивается полная мощность, потребляемая устройствами, подключенными к электрической сети. Обычно это происходит вследствие недостаточной коррекции коэффициента мощности (cos φ).

Уменьшение величины косинуса фи приводит к потерям на нагрев силовых проводников, повышенному износу нейтрали (в трехфазной сети) и другим негативным последствиям. Для борьбы с ними используют схемы коррекции фактора мощности (PFC, Power Factor Control).

Все современные импульсные блоки питания мощностью более 50-100 ватт обязательно содержат схемы, корректирующие фактор мощности. К сожалению, введение дополнительных компонентов, работающих в сильно нагруженной высоковольтной части блока питания, снижает его надежность. Поломки в узлах блоков питания, отвечающих за компенсацию фактора мощности, очень часто встречаются и при эксплуатации майнинг ригов.

В связи с этим стоит иметь представление о том, на что влияют и как работают типовые схемы коррекции фактора мощности.

Влияние фактора мощности на потребление электрической энергии

Рассмотрим электрическую схему, использующуюся для измерения потребления тока и мощности нагрузкой, подключенной к сети переменного тока с действующим значением напряжения, равным 240 вольтам:

В этой схеме ваттметр показывает потребляемую (активную) мощность, равную двум киловаттам, при этом среднеквадратичный (RMS) ток в цепи с синусоидальным переменным напряжением 240 вольт равен 10 амперам.

Чтобы найти полную мощность S (Apparent Power), нужно перемножить среднеквадратичные (RMS) значения тока (I) на напряжение (E):

Разница между активной мощностью, потребляемой нагрузкой, и полной составляет 2400-2000=400 ватт. Эта величина связана с реактивной мощностью Q, обусловленной негативным влиянием фактора мощности (Power Factor).

Power Factor равен отношению активной мощности к полной:

в данном случае PF = 2kW / 2.4kVA = 0.833

На практике форма переменного тока в сети далека от идеальной синусоидальной формы, поэтому для измерения реальных значений токов и напряжений лучше использовать величину True RMS — истинное среднеквадратичное значение:

При учете значения True RMS величина потерь на реактивную составляющую будет еще больше, так как дополнительно появятся потери, связанные с искажениями синусоидальной формы тока.

Для компенсации реактивных потерь, обеспечения равномерной нагрузки на электрическую сеть, снижения нагрузки на нулевой провод, уменьшения негативного влияния блоков питания на синусоидальную форму тока в сети, улучшения КПД, используют специальные схемы, увеличивающие значение фактора мощности.

Существуют пассивные и активные схемы коррекции косинуса фи (фактора мощности), которые сглаживают нагрузку на сеть, обусловленную пульсирующим характером работы диодных выпрямителей со сглаживающими конденсаторами.

Формы входного тока (Input Current), входного напряжения (Vline) и тока на выходном сглаживающем конденсаторе (Vcap):

Почему возникают проблемы с фактором мощности в блоках питания?

Негативное влияние на коэффициент мощности в блоках питания, преобразующих высокое сетевое переменное напряжение в низкое постоянное, оказывает импульсный характер тока на выходе диодного выпрямителя, а также переходные процессы, происходящие при заряде-разряде сглаживающих электролитических конденсаторов, которые устанавливаются после выпрямителя.

Электрическая схема выпрямительного диодного моста (Bridge Rectifier) со сглаживающим накопительным конденсатором:

Форма напряжений на входе и выходе выпрямительного диодного моста:

Благодаря введению в схему сглаживающего конденсатора сглаживаются пульсации выходного выпрямленного напряжения:

Величина пульсаций на выходном конденсаторе связана со временем его заряда-разряда, которое, в свою очередь, связано с мощностью нагрузки.

Связь между формой напряжения Vce на сглаживающем конденсаторе Ce с током на диодах и конденсаторе при постоянной нагрузке:

Как видно из приведенных выше графиков, при выпрямлении синусоидального напряжения значительно изменяется величина входного тока, образуя пики потребления на участках, подобных t1-t2, когда происходит заряд конденсатора.

График зарядного тока для сглаживающего конденсатора Cф однофазного однополупериодного выпрямителя (хорошо виден импульсный характер тока заряда и значительное увеличение его амплитуды во время рабочего цикла):

Эти пики приводят к увеличению потерь и уменьшают значение величины фактора мощности. Кроме того, с увеличением потребляемой мощности возрастает амплитуда пульсаций выходного напряжения и уменьшается КПД.

Для компенсации неравномерного потребления входного тока и сглаживания выходных пульсаций напряжения используют узлы, отвечающие за коррекцию фактора мощности. Их устанавливают в высоковольтной части блоков питания, до сглаживающих электролитических конденсаторов.

Как работают схемы коррекции фактора мощности в блоках питания?

Основной задачей схем коррекции коэффициента мощности (ККМ) является сведение к минимуму отставания потребляемого тока от сетевого напряжения, а также сохранение его синусоидальной формы. Синусоидальное потребление тока из сети должно осуществляться на протяжении всего периода питающего импульса. Благодаря использованию схем коррекции блок питания для питающей сети должен выглядеть как нагрузка с чисто активным сопротивлением.

Для выполнения этих требований в схему БП добавляют индуктивный накопитель, который отдает в электрическую цепь энергию на обратном ходу. Работа индуктивности, увеличивающей значение коэффициента мощности, осуществляется как в пассивном, так и в активном (управляемом) режиме.

Наиболее распространенные виды однофазных схем коррекции фактора мощности:

Сравнение схемотехники пассивной (слева) и активной (справа) коррекции фактора мощности:

Простейшим элементом, который может сгладить форму тока на сглаживающем конденсаторе, является катушка индуктивности, включаемая в цепь последовательно.

Схемы пассивной коррекции коэффициента мощности в блоках питания

Схемы с пассивной коррекцией cos fi (Passive Power Factor Control) не имеют активных компонентов.

Пример реализации пассивной коррекции коэффициента мощности с помощью последовательного включения катушки индуктивности на входе выпрямителя:

Дроссель пассивной коррекции коэффициента мощности компьютерного блока питания (справа внизу):

Добавление дросселя до диодного выпрямителя увеличивает длительность пика синусоиды, что улучшает коэффициент мощности:

В схеме с подключенной ко входу катушкой индуктивности значение ККМ не может быть выше 0.76:

Если подключить катушку индуктивности после выпрямительных диодов, то при достаточной индуктивности (намного большей, чем при включении на входе выпрямителя) можно достичь ККМ, равного 0.9. Добавление в схему конденсатора Ca (на рисунке ниже показан пунктиром), может увеличить ККМ до 0.905:

Практическая схема входной части импульсного блока питания с пассивной коррекцией коэффициента мощности:

В старых, маломощных блоках питания компьютеров, использовалось именно такое решение. Так как частота пульсаций напряжения на выходе диодного моста мала (100-120 Гц для сети переменного тока с частотой 50-60 Гц), то размер компенсирующих катушек должен быть очень велик. Более эффективно работают схемы активной коррекции коэффициента мощности, собранные на полевых транзисторах, работающих в качестве ключей, управляемых ШИМ-контроллером.

Часть блок-схемы компьютерного блока питания фирмы FSP на 19 вольт (входной фильтр, диодный мост и блок активной коррекции коэффициента мощности):

Упрощенная схема активной коррекции фактора мощности:

Схема активной коррекции коэффициента мощности включает в себя следующие компоненты:

контроллер (PFC Control);
катушка индуктивности L (дроссель);
ключевой MOSFET-транзистор Q;
выпрямительный диод D;
выходная емкость C0;
цепи обратной связи.

Пример схемы PFC boost-преобразователя со схемой контроля:

Примеры практической реализации схем активной коррекции мощности в блоках питания

Упрощенная схема блока питания с APFC-контроллером NCP1653:

Схема активной коррекции коэффициента мощности в блоке питания FSP OPS550-80GLN:

Схема первичной части блока питания HP DPS-300AB-49A 300Watt с активной системой коррекции мощности с контроллером FAN7529:

Схема компьютерного блока питания мощностью 450 ватт с отдельной платой ШИМ и APFC (элемент PC83):

Заключение

Активные схемы коррекции коэффициента мощности предоставляют ряд преимуществ, среди которых:

максимальное приближение к активному характера потребления нагрузки, сведение к минимуму пиковых перегрузок;
расширение диапазона допустимого входного переменного напряжения;
снижение уровня пульсаций на выходе сглаживающего конденсатора при сохранении его емкости за счет уменьшения длительности токовых пауз;
улучшение режима работы инвертора блока питания и КПД блока питания за счет стабилизации подающегося на него напряжения.

К недостаткам схем коррекции коэффициента мощности блоков питания можно отнести:

увеличение стоимости готового изделия из-за добавления электронных элементов, отвечающих за коррекцию cos φ;
уменьшение надежности блока питания из-за включения в его состав еще одного блока, работающего в критических условиях (высокие напряжения и токи).