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Lo stadio PFC e la Post-regolazione

Lo stadio PFC e la Post-regolazione

I circuiti PFC sono utilizzati negli alimentatori e nei convertitori per avvicinare il fattore di potenza al valore teorico unitario e ridurre le armoniche. Esistono diverse tecniche per raggiungere lo scopo e l’articolo passa in rassegna diverse tipologie di circuiti e di soluzioni. L’articolo spiega anche le diverse motivazioni tecniche che stanno alla base della post-regolazione.

PFC ed efficienza: correzione del fattore di potenza

La formula restituisce un valore compreso tra 0 e 1. Un valore di 1 descrive una circostanza ideale con carico puramente resistivo e si ottiene quando le forme d’onda della corrente e della tensione in ingresso sono perfettamente in fase tra loro. Il flusso di alimentazione in corrente alternata ha due componenti:

  • la potenza reale che è espressa in watt (W);
  • la potenza apparente, solitamente espressa in volt-ampere (VA).

Un valore è inferiore a 1 quando la forma d’onda della corrente non “segue” quella della tensione ed esse sono sfasate. In questi casi il consumo di energia è maggiore di quello richiesto. Nella realtà le due forme d’onda sono caratterizzate da un certo angolo di sfasatura, ossia quando la corrente non “segue” la tensione”. La figura 1 mostra i due grafici di corrente e tensione per un carico puramente resistivo (sopra) e un carico resistivo con componente induttiva (sotto). La corrente assorbita è più alta quanto più basso è il fattore di potenza. Un basso fattore di potenza riduce l’efficienza dell’apparecchiatura e ne provoca anche il surriscaldamento. Per ottime prestazioni il fattore di potenza dovrebbe essere il più vicino possibile all’unità. Per aumentare tale valore si usano diversi circuiti di correzione.


Figura 1: la corrente e la tensione si comportano in modo differente a seconda della tipologia del carico

Per minimizzare al massimo le perdite di potenza dovute ad alti sfasamenti, i dispositivi devono sottostare a precise normative che limitano le distorsioni armoniche dei circuiti. Per questo scopo è necessario prevedere una buona correzione del fattore di potenza (PFC) nei moduli di conversione CA/CC, specialmente per sistemi con alto assorbimento energetico. Con tale correzione si può ottenere un fattore di potenza più alto, riducendo le armoniche. I PFC attivi di RECOM raggiungono valori di fattore di potenza eccellenti, superiori a 0.95. Per raggiungere lo scopo vi sono differenti tecniche.

Circuiti PFC passivi e attivi

La correzione del fattore di potenza (PFC=Power Factor Correct) consente il funzionamento dell’alimentazione alla massima efficienza. Con tale correzione il carico appare resistivo al circuito di distribuzione. Per carichi limitati di lavoro e una tensione di alimentazione fissa, è conveniente utilizzare un PFC passivo. Con esso è possibile ottenere un fattore di potenza fino a un valore di 0.8. Esso utilizza un filtro armonico all’ingresso per correggere un eventuale basso fattore di potenza e costituisce, in pratica, un filtro passa basso (vedi circuito di principio in figura 2). La soluzione passiva è semplice, affidabile e robusta. Inoltre non genera EMI e risulta, generalmente, a basso costo. La sua principale limitazione è dovuta alla sua dimensione e al suo peso, dovuto all’induttore utilizzato. Quindi, esso alza il rendimento del circuito e prevede l’uso di un filtro passivo formato da un condensatore e da una bobina di valori opportuni. Il suo effetto è quello di ridurre le armoniche del segnale, facendo apparire all’impianto un comportamento del carico più lineare. I vantaggi possono riassumersi in basso costo, semplicità ed efficienza, mentre tra gli svantaggi annoveriamo l’ingombro, a volte esagerato, e l’impossibilità di utilizzare diverse tensioni di alimentazioni (a meno che si usino diversi moduli correttivi).



Figura 2: un PFC passivo è, in sostanza, un filtro passa basso. L’induttore e il condensatore formano un circuito risonante in serie

Il PFC attivo è, naturalmente, più performante rispetto a quello passivo (vedi figura 3). I valori di correzione del fattore di potenza possono superare facilmente il 90% e arrivare al 100%. In più, esso prevede un intervallo più ampio delle tensioni d’ingresso e le rileva automaticamente, per cui è perfettamente utilizzabile in qualsiasi nazione. Risulta molto leggero e utilizza elementi attivi. Esso utilizza un controller posto tra il raddrizzatore d’ingresso e il condensatore di carica, seguito poi dal convertitore CC/CC. Il circuito riesce a modificare la composizione della corrente d’ingresso in modo che il segnale corrisponda alla forma d’onda della tensione d’ingresso grazie a un processo di feedback.



Figura 3: un PFC attivo è più performante e il fattore di potenza raggiunge facilmente il valore 1

Alcuni dispositivi di RECOM per il rifasamento modulare

I moduli di rifasamento PFC attivi di RECOM raggiungono valori di fattore di potenza superiori a 0,95. A bordo è presente un ulteriore controller che svolge una funzionalità di convertitore buck-boost, per una tensione d’uscita intermedia o superiore. La figura 4 mostra due modelli delle serie PFC800 (di 800 Watt) e PFC4000 (di 4 kW) rispettivamente. Alcune delle più rilevanti caratteristiche sono riportate di seguito:

  • PFC800
    • tensione d’ingresso nominale: 230 VAC
    • tensione di uscita: 365 VDC
    • corrente di uscita nominale: 2,25 A
    • tolleranza della tensione di uscita: +/- 5 V
    • potenza di uscita: 800 W
    • efficienza tipica: 96%
  • PFC4000
    • tensione d’ingresso nominale: 230 VAC
    • tensione di uscita: 360 VDC (A) e 5 VDC (B)
    • corrente di uscita nominale: 11 A (A) e 5 A (B)
    • tolleranza della tensione di uscita: +/- 5 V (A) e +/- 2 V (B)
    • potenza di uscita: 4000 W
    • efficienza tipica: 92%

Figura 4: i moduli PFC attivi di RECOM PFC800 da 800 Watt (a sinistra) e PFC4000 da 4 kW (a destra)

Per maggiori informazioni: https://recom-power.com/en/products/pcs-power-solutions/pfc-front-ends/rec-c-pfc-front-ends.html?1

Il PSRR

PSRR è l’acronimo di “Power Supply Rejection Ratio” e si tratta di un parametro molto importante nella progettazione degli alimentatori, anche a causa del maggiore livello di integrazione dei circuiti. In poche parole esso descrive la capacità, da parte di un circuito elettronico, di sopprimere qualsiasi variazione dell’alimentazione sul segnale di uscita. E’ il rapporto tra la variazione della tensione di alimentazione e la tensione di uscita equivalente (differenziale), spesso espresso in decibel. Un amplificatore operazionale ideale è caratterizzato da un PSRR infinito. Esso è espresso attraverso la seguente formula:

Fondamenti della post-regolazione

Un alimentatore switching ben disegnato e progettato non dovrebbe presentare rumori in uscita, specialmente se esso è utilizzato all’interno delle sue specifiche teoriche. La post-regolazione è utile per combinare i vantaggi di un regolatore lineare a basso rumore con quelli di un convertitore DC-DC e produrre una tensione d’uscita maggiore di quella di ingresso. Alcuni esempi sono mostrati in figura 5.


Figura 5: alcuni esempi di post regolazione: generica, a singola uscita e a uscita duale

Una post-regolazione lineare consente di eliminare o abbassare ulteriormente il ripple residuo in uscita e stabilizza la tensione a un valore ottimale. Il mercato mette a disposizione centinaia di soluzioni diverse (vedi in figura 6). Alcune di esse prevedono una modalità sincronizzabile per la regolazione di precisione delle uscite ausiliarie di alimentatori a più uscite. Essi possono contenere un modulatore di larghezza di impulso sul fronte di salita, che genera il segnale di pilotaggio per un FET collegato in serie con il raddrizzatore a diodo. L’accensione dell’interruttore elettronico è ritardata da un preciso segnale per regolare la tensione di uscita. Un valido esempio è rappresentato dall’integrato UCC3583 che contiene un generatore di rampa per l’impulso di potenza, un amplificatore di errore di tensione, un amplificatore di errore di corrente, un comparatore PWM e la relativa logica associata, un gate driver, un riferimento di precisione e circuiti di protezione. La scarica a rampa e la terminazione del segnale di azionamento del gate sono attivati dall’impulso di sincronizzazione, tipicamente derivato dal fronte di discesa della tensione sul secondario del trasformatore.



Figura 6: un esempio di post regolazione con UCC3583

La post-regolazione switching

Alcune situazioni richiedono una post-regolazione switching. Per ottenere un adeguato filtraggio dei residui ad alta frequenza, propri dello stadio a commutazione, si ricorre a uno stadio di post regolazione. Esaminiamo il dispositivo RBBA3000 di RECOM, un convertitore buck/boost non isolato ad alta efficienza con una corrente di uscita fino a 50 A (vedi in figura 7). L’intervallo della tensione di ingresso va da 9 V a 60 V CC e la tensione di uscita da 0 a 60 V, con una corrente compresa tra 0 A e 50 A. Tali parametri possono essere impostati in modo indipendente tramite resistori fissi o con una tensione esterna. Il pin “Ishare” ha due funzioni: può essere utilizzato per monitorare la corrente di carico in applicazioni stand-alone oppure può essere utilizzato per collegare due moduli in parallelo per raddoppiare la corrente di uscita massima a 100 A. Le applicazioni tipiche sono la conversione della potenza della batteria da 48 V a 24 V o da 12 V a 24 V, veicoli elettrici, stabilizzatori di tensione della batteria o alimentatori CC da laboratorio ad alta potenza. Con un raffreddamento appropriato, la temperatura operativa a piena potenza si estende da -40° C a + 85° C.


Figura 7: il regolatore RBBA3000-50 di RECOM da 3000 Watt

Conclusioni

La ricerca della efficienza è sempre un punto cruciale delle aziende, che impiegano i propri studi e le proprie ricerche al fine di ottenere sempre più potenza dai propri dispositivi. Pulizia del segnale, efficienza, temperatura bassa e assenza di EMI sono assicurate dai dispositivi di RECOM, in piena sintonia con quelle che sono le certificazioni, le garanzie e le normative a livello nazionale e internazionale.

Redazione Fare Elettronica