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

El factor de potencia se administra ("corregido" es realmente el término incorrecto, aunque es el común) al hacer que la corriente siga el voltaje. En su esquema, la tensión del bus será un poco más alta que los picos para la forma de onda de CA. El inductor, los FET, el diodo y el condensador forman un convertidor elevador. Este convertidor toma el voltaje de entrada de CA rectificado y genera el voltaje del bus.

Si el sistema de control solo regulara el voltaje de salida, no habría PFC. Lo que hace en cambio es regular la corriente promedio 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 el voltaje. Otra forma de verlo es que la carga en la línea de CA debe parecer resistiva. Al igual que una resistencia real, desea mantener la corriente proporcional al voltaje.

Por supuesto, esto no concuerda con la regulación de la tensión del bus. Esto se maneja teniendo una respuesta rápida al voltaje de entrada de CA pero una respuesta mucho más lenta para regular el voltaje del bus. En otras palabras, la línea de CA aún ve una resistencia, pero el valor de la resistencia cambia lentamente según sea necesario para mantener la tensión del bus cerca de su valor objetivo.

Puede consultar mi registro del Control de PFC digital para obtener más información sobre PFC y una forma en la que se me ocurrió mantener la actual Proporcional a la tensión sin tener que medir la corriente. Tengo una patente sobre eso, que también incluye el uso de computación digital para controlar la tensión del bus con mayor precisión. Con un poco de potencia de cómputo, puede saber qué rizado se produce en el bus debido al seguimiento del voltaje de la línea de CA, y luego usarlo para determinar qué ha cambiado debido a la demanda variable de la carga. Esto permite ajustar los cambios de carga más rápidamente que el enfoque convencional, pero sin anular la función PFC.

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 operación del convertidor boost (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 ofrece una explicación muy detallada de cómo funciona 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 propósito fundamental de un controlador PFC activo es hacer que la carga extraída de la red eléctrica parezca resistiva. Obviamente, la carga descendente no es resistiva en la mayoría de los casos (generalmente una carga de potencia constante como un convertidor de CC / CC). 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 (generalmente un refuerzo) para que actúe como una resistencia; no dibuje corriente en los cruces de cero y extraiga la corriente máxima en la CA picos.

El PFC pasivo (las bobinas y los condensadores que describió) implica poner un gran filtro de paso bajo en la red eléctrica para contrarrestar la carga no ideal. No hay ninguna 'inteligencia' involucrada.

En la ilustración que proporcionaste faltan las redes de detección que usa un controlador PFC típico:

• el sensor de forma de onda AC de entrada
• la detección de CC de salida
• el MOSFET actual

La detección de forma de onda proporciona una señal al controlador PFC, generalmente 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 voltaje lento (generalmente inferior a 20 Hz) que mantiene la regulación de la salida del convertidor elevador. Debe tener un ancho de banda inferior al de la entrada de forma de onda AC, o el PFC no funcionará.

La detección de corriente MOSFET es un bucle de corriente rápida, que se utiliza para el control en modo actual.

"Factor de potencia" se refiere a dos preocupaciones separadas:

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

• la distorsión actual causada por cargas no lineales: factor de cresta = corriente pico / corriente rms puede ser mucho mayor que el sqrt (2) para las ondas sinusoidales, lo que lleva a armónicos que causan más disipación en el sistema de transmisión de la utilidad.

Un circuito PFC en una fuente de alimentación se dirige principalmente al segundo de estos. Si se deshiciera del inductor + los MOSFET en ese diagrama, terminaría con una carga de factor de cresta muy alta: el diodo extrae grandes cantidades de corriente en el condensador.

El circuito PFC intenta proteger la utilidad de esto, al convertir la corriente a través del inductor en una onda sinusoidal rectificada (en fase con el voltaje), haciendo que la corriente en la red eléctrica de la utilidad parezca una onda sinusoidal.

¿Por qué se necesitan dos transistores? No lo son, eso es un detalle de implementación (tal vez sea más económico usar dos MOSFET más pequeños en un paquete común que usar un MOSFET más grande en un paquete poco común).

El circuito de control enciende el MOSFET que aumenta la corriente a través del inductor. Apagar el MOSFET permitirá que la corriente fluya 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 dije anteriormente.

También también regula el voltaje en la salida.

Para hacer esto se requiere un poco más de complejidad que, por ejemplo, un convertidor de CC / CC normal, así como una mayor capacidad de almacenamiento de energía tanto en el inductor como en el condensador.