PFC: come migliorare l’efficienza di un alimentatore switching

Introduzione

Le norme in vigore sia a livello europeo (EN 60555) che internazionale (IEC555), impongono dei requisiti stringenti agli alimentatori collegati direttamente alla rete elettrica. In particolare, tali sistemi di alimentazione (utilizzati nella maggior parte degli elettrodomestici, nei computer, nei sistemi di illuminazione e nei circuiti di controllo dei motori) devono soddisfare precisi limiti sul contenuto di armoniche. Ciò avviene ad esempio per la normativa europea EN 61000-3-2, effettiva a partire dal 2001, la quale ha imposto dei limiti sul contenuto di armoniche (fino alla quarantesima inclusa) presenti nella corrente alternata in ingresso. Come effetto di questa normativa, gli attuali alimentatori switching devono essere dotati di un opportuno stadio di ingresso che provveda a produrre in uscita una corrente con andamento sinusoidale il più possibile in fase con la tensione alternata in ingresso. Come vedremo ora in dettaglio, questo stadio è denominato Power Factor Correction, o semplicemente PFC.

Fattore di potenza e PFC ideale

Il fattore di potenza, o Power Factor (PF), è definito come il rapporto tra la potenza reale P e la potenza apparente S. Nel caso di una tensione alternata con corrente e tensione perfettamente sinusoidali, PF può essere calcolato come il coseno dell’angolo di fase tra corrente e tensione (si osservi la Figura 1). Il fattore di potenza è un numero puro compreso tra 0 e 1, dove 1 indica il perfetto allineamento di fase tra le forme d’onda della corrente e della tensione. L’obiettivo di uno stadio PFC è quindi quello di ottenere un valore di PF il più prossimo a 1 (potenza apparente uguale alla potenza reale), una condizione che elimina le componenti armoniche indesiderate e migliora l’efficienza dell’intero alimentatore grazie a una drastica riduzione delle perdite di potenza.

rappresentazione grafica del PF
Figura 1: rappresentazione grafica del PF

Circuito PFC

Lo stadio PFC, il cui schema a blocchi generico è visibile in Figura 2, è fondamentalmente un convertitore AC/DC il cui principio di funzionamento è analogo a quello di un SMPS.

rappresentazione grafica del PFC
Figura 2: schema a blocchi di un circuito PFC

In ingresso al PFC abbiamo la tensione prodotta in uscita dallo stadio raddrizzatore. Il segnale PWM, definito da un preciso valore di frequenza e duty-cycle, comanda la commutazione di un transistor MOSFET (switch) che converte la tensione in ingresso in un treno di impulsi. Il treno di impulsi è successivamente filtrato, generando una tensione di uscita continua. Quest’ultima viene confrontata con una tensione di riferimento, il cui valore deve coincidere con quello che si desidera fornire al carico. La differenza di tensione così ottenuta (tensione di errore) viene riportata in ingresso al blocco PWM, il quale può così regolare l’ampiezza (duty-cycle) degli impulsi prodotti: se la tensione in uscita è troppo bassa, l’ampiezza degli impulsi verrà aumentata, mentre in caso contrario l’ampiezza verrà diminuita.

Rispetto a un alimentatore switching, lo stadio PFC aggiunge un ulteriore blocco, visibile nella parte inferiore di Figura 2, la cui funzione è quella di assicurarsi che la corrente prelevata dalla tensione di rete sia perfettamente sinusoidale e in fase con la tensione alternata di rete. In pratica, la tensione di errore viene modulata attraverso un segnale derivato dalla tensione di rete raddrizzata, prima di applicarlo in ingresso al blocco PWM. L’ampiezza dell’impulso generato dipenderà quindi sia dalla tensione di errore, sia dal valore istantaneo della tensione di rete.

Topologie e modalità operative

La topologia di circuito maggiormente utilizzata per implementare lo stadio PFC di un alimentatore switching è rappresentata dal convertitore boost, essenzialmente per la sua semplicità e per le ottime prestazioni che è in grado di offrire. In generale, possiamo comunque evidenziare tre principali topologie, visualizzate in Figura 3, corrispondenti ai convertitori boost, buck e buck/boost. La topologia boost è la più diffusa, soprattutto quando l’induttore viene dimensionato in modo tale da condurre durante tutto il ciclo di commutazione, riducendo in questo modo il rumore sul condensatore determinato dalle componenti della frequenza di commutazione. Questa soluzione offre un elevato fattore di potenza, con tensione di uscita dallo stadio VOUT maggiore della tensione di ingresso VIN.

La topologia boost presenta inoltre il vantaggio di essere molto economica, anche se non fornisce alcuna protezione nei confronti delle correnti di spunto e dei corto circuiti. La topologia buck/boost, anche se meno diffusa rispetto alla precedente, offre comunque un fattore di potenza elevato, con il vantaggio di poter regolare il valore della tensione di uscita e di integrare funzionalità quali isolamento dell’uscita, protezione dai corto circuiti e protezione dalle correnti di spunto. La terza e ultima topologia, il convertitore buck, produce una tensione di uscita VOUT minore della tensione di ingresso VIN, offre protezione dai corto circuiti e dalle correnti di spunto ma è raramente utilizzata in quanto ha un fattore di potenza molto ridotto rispetto alle altre topologie.

principali topologie di PFC
Figura 3: principali topologie di PFC

Relativamente al funzionamento del PFC, esistono due modalità operative: discontinua (DCM) e continua (CCM). Nella modalità discontinua, il MOSFET del convertitore boost viene acceso quando la corrente nell’induttore si annulla e spento quando la corrente nell’induttore è tale da produrre il riferimento di tensione desiderato. In questo modo, la corrente in ingresso segue l’andamento della tensione in ingresso, con un PF molto prossimo al valore unitario. Questa modalità si applica a carichi che richiedono fino a 300W di potenza. Nella modalità continua, invece, il MOSFET si accende prima che la corrente nell’induttore boost raggiunga il valore zero e quindi l’induttore stesso è sempre attraversato da corrente. Il Continuous Current Mode è adatto per applicazioni con livelli di potenza anche superiori a 300W, presenta minori perdite di potenza e offre una migliore compatibilità elettromagnetica.

Principali parametri

Abbiamo visto come la topologia boost sia quella maggiormente diffusa, in quanto è in grado di offrire un fattore di potenza molto elevato unito a una estrema semplicità implementativa e costi ridotti. Si pone ora il problema di come ottimizzare i parametri relativi al primo schema di Figura 3, in particolare: capacità Ci del condensatore di ingresso, variazioni della corrente nell’induttanza di boost Lb e frequenza di commutazione.

Per quanto riguarda il condensatore di ingresso, il rumore che si genera ai suoi capi è proporzionale all’oscillazione della corrente e inversamente proporzionale al valore della capacità. Un valore pari a 3,3 µF/kW rappresenta in genere un buon compromesso tra distorsione della corrente e generazione del rumore.

La variazione di corrente Δi nell’induttore boost è funzione delle tensioni di ingresso e uscita (VIN e VOUT), dell’induttanza Lb e della frequenza di commutazione fS. Il suo valore può essere determinato applicando la seguente formula:

Δi = (VIN x (VOUT – VIN)) / (VOUT x Lb x fS)

Valori tipici per un convertitore PFC possono essere i seguenti: VIN=300V, VOUT=400V e fS=70kHz. Se il PFC opera nella modalità continua, il valore tipico per Δi è 1A, a cui corrisponde un’induttanza Lb=1mH. Se invece il PFC opera nella modalità discontinua, Δi può anche assumere un valore di 6A, cui corrisponde un’induttanza Lb=150µH. Anche se la modalità continua richiede un’induttanza molto maggiore rispetto a quella discontinua, la minore oscillazione di corrente permette di utilizzare un nucleo di ferrite economico, con riduzione del costo complessivo della soluzione.

La frequenza di commutazione è un altro parametro rilevante che occorre selezionare accuratamente quando si progetta uno stadio PFC. Il suo valore può essere costante oppure variabile. Nel caso sia variabile, il suo valore può essere controllato, oppure variare liberamente all’interno di limiti prefissati. Uno stadio PFC che utilizzi una frequenza di commutazione variabile genera perdite di potenza e interferenze elettromagnetiche inferiori, ma ha una topologia più complessa e il suo comportamento è più difficile da prevedere.

Conclusioni

Senza l’utilizzo di un circuito per la correzione del fattore di potenza, un alimentatore switching avrebbe un PF circa pari a 0,6, con la forma d’onda della corrente distorta in modo considerevole come effetto della presenza di numerose armoniche. Un valore di PF molto inferiore a uno (il valore ideale) e la presenza di armoniche riducono la potenza reale disponibile per alimentare il carico e quindi l’efficienza dell’alimentare, comportando dei costi di esercizio maggiori. Anche se il valore ideale di PF non sempre è raggiungibile, è comunque raccomandabile utilizzare uno stadio PFC con PF prossimo a 1 negli alimentatori SMPS ad alta efficienza.

Redazione Fare Elettronica