Richtige Powerfaktor-Korrektur erhöht Wirkungsgrad und senkt Kosten

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STROMVERSORGUNG
POWERFAKTOR-KORREKTUR
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PFC für elektronische Vorschaltgeräte und Schaltnetzteile
Richtige Powerfaktor-Korrektur erhöht
Wirkungsgrad und senkt Kosten
Ein schonender Umgang mit den Ressourcen wie der elektrischen Energie wird immer wichtiger.
So hat die uneffiziente Glühlampe bald ausgesorgt – die LED-Leuchten kommen. Die für deren
Betrieb eingesetzten Schaltnetzteile erhöhen die störenden Netzrückwirkungen durch Oberwellen.
Eine Powerfaktor-Korrektur schafft hier Abhilfe.
» Tobias Hofer
Klasse B
[A]
2,3
1,14
0,77
0,4
3,45
1,71
1,155
0,6
30 u
10 u
7u
5u
der verschiedenen Klassen, so bekommen
wir z.B. für die siebte Oberwelle folgende
Resultate:
■ Klasse A: 0,77 A
■ Klasse B: 1,15 A
■ Klasse C: ~9 mA
■ Klasse D: 30 mA
Es wird ersichtlich, dass man bei einem
elektronischen Vorschaltgerät der Klasse C
für Beleuchtungseinrichtungen mehr Aufwand betreiben muss, um die Grenzwerte
einzuhalten. Bei der Klasse C unterscheidet
man noch zwischen Leistungen grösser als
25 W und kleiner als 25 W. Bei Geräten mit
einer Leistung von weniger oder gleich 25 W
sind höhere Grenzwerte für die Oberwellen
festgelegt. Um diese Grenzwerte einzuhalten,
ist bei richtiger Auslegung keine PowerfaktorKorrektur notwendig.
Simulation 30-W-Netzteil
[mA]
0,16
■ simuliert
0,14
■ Grenzwert
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
3
5
7
9
11
13
Harmonic order
Bild 1: Simulierte Oberwellen ohne PFC
Simulation eines 30-W-Schaltnetzteils
der Klasse C
Klasse D
[mA/W]
Klasse A
[A]
3
5
7
9
Klasse C
[% der Grundschwingung]
Oberwelle
Um die verlangte hohe Qualität unserer
Stromnetze zu gewährleisten, sind für Schaltnetzteile Grenzwerte für Netzrückwirkungen
durch Oberwellen festgelegt. In Europa ist
dies hauptsächlich die Norm «IEC 61000-3-2
Grenzwerte für Oberschwingungsströme».
Eine Powerfaktor-Korrektur in Schaltnetzteilen dient der Verbesserung des Powerfaktors sowie der Reduzierung der Oberwellen.
Insbesondere der zweite Punkt ist für die
Zertifizierung relevant. Der Powerfaktor ist
definiert als das Verhältnis der gemessenen
Eingangswirkleistung zu dem Produkt aus
dem Effektivwert der Netzspannung und dem
Netzstrom. Die Netzrückwirkungen muss man
bis zur 40. Oberwelle erfassen. Tabelle 1 zeigt
die Grenzwerte der ersten neun Oberwellen
der verschiedenen Klassen auf.
3,4
1,9
1,0
0,5
Grenzwerte der ersten neun Oberwellen in
verschiedenen Klassen
Betrachten wir ein Schaltnetzteil mit
30 W und einem Powerfaktor (u) von 0,9
Bild 1 zeigt die simulierten Oberwellen bei einem Netzteil mit einer Leistung von 30 W und
einer Eingangsspannung von 230 Vrms ohne
aktive oder passive Powerfaktor-Korrektur.
Der Zwischenkreiskondensator vom Netzteil
hat einen Wert von 33 µF. Der Powerfaktor
beträgt u = 0,6. Die Simulation zeigt deutlich,
dass ohne eine PFC das Einhalten der Grenzwerte in dieser Klasse nicht machbar ist. Um
die Oberwellen zu reduzieren, gibt es nun
verschiedene Varianten. Grundsätzlich kann
man unterscheiden in passive und aktive
Powerfaktor-Korrektur.
Vorteile der passiven PFC sind der bessere
Wirkungsgrad und vor allem die geringeren
Bild 2: Flyback-Konverter mit PFC
leitungsgebundenen Emissionen (150 kHz bis
30 MHz). Nachteilig sind die grösseren Abmessungen gegenüber einer aktiven PFC und
die Abhängigkeit von der Eingangsspannung
bei Weitbereichsnetzteilen.
Der einfachste Ansatz ist eine Lineardrossel im AC-Kreis. Damit die Drossel bei tiefer
Eingangsspannung nicht unnötig gross wird,
ist der Einsatz in der Regel bei 115 V EinPolyscope 16/10
3
5
30
16,7
150
98
Drossel
mit L = 1 H
gangsspannung nicht sinnvoll. Möchte man
das simulierte Netzteil für die Klasse C zertifzieren, gibt es keine sinnvolle Lösung mit
einer Lineardrossel, da sich die dritte Oberwelle ohne zusätzliche Massnahmen nicht
genügend dämpfen lässt. Die Werte in der
Tabelle 2 ergeben sich aus der Simulation mit
einer 1-H-PFC-Drossel.
Weitere Varianten sind:
■ Saugkreise, die auf die dritte und fünfte
Oberwelle abgestimmt werden
■ LC-Filter am Eingang
■ serielles oder paralleles Bandstoppfilter
■ «Valley Fill Circuit»: Diese Schaltung
benutzt man häufig bei Vorschaltgeräten.
Der Nachteil ist die pulsierende Zwischenkreisspannung.
Bei den Saugkreisen sowie den seriellen
oder parallelen Bandstoppfiltern muss man
auf die Stabilität achten. Die «Valley Fill
Circuit»-Powerfaktor-Korrektur eignet sich
am ehesten für Geräte der Klasse C mit Leis-
Ohne PFC
POWERFAKTOR-KORREKTUR
Grenzwert
[mA]
STROMVERSORGUNG
Oberwelle
20
73
16
Tabelle 2: Die Grenzwerte der dritten Oberwelle
werden nicht eingehalten
tungen >25 W. Ein weiterer Lösungsansatz,
der noch günstiger zu realisieren ist, wird im
folgenden Abschnitt erklärt.
Elektronische Vorschaltgeräte der
Klasse C mit einer Leistung >25 W
Die Grösse des Eingangskondensators bestimmt massgeblich die Oberwellen. Je
kleiner der Kondensator, desto geringer die
Oberwellen. Wenn wir bei einem Schaltnetzteil den Eingangskondensator kleiner
wählen, verringern sich die Oberwellen,
jedoch vergrössert sich die Welligkeit der
Zwischenkreisspannung. Bei Schaltnetzteilen mit einer Leistung <100 W für elektronische Vorschaltgeräte oder Ähnliches
setzt man meistens einen Flyback-Konverter
ein.
Weist nun die primäre Spannung eine
hohe Welligkeit auf, ist diese Welligkeit auch
auf der Sekundärseite zu sehen. Bei Netzteilen mit der Anforderung einer sehr kleinen
Ausgangswelligkeit lässt sich der Eingangskondensator nicht beliebig verkleinern. Bei
elektronischen Vorschaltgeräten für Beleuchtungseinrichtungen wie LED kann man
vielfach mit einer höheren Welligkeit leben.
Das menschliche Auge nimmt diese 100-HzWelligkeit nicht wahr. Der mittlere Strom
oder die Spannung entsprechen immer der
Vorgabe.
Polyscope 16/10
POWERFAKTOR-KORREKTUR
Analoge und digitale Schaltnetzteile
für Beleuchtungstechnik
Basierend auf dieser Technologie hat Negal
Engineering eine neue Generation von analogen und digitalen Schaltnetzteilen für die Beleuchtungstechnik und weitere Anwendungen
entwickelt. Bild 2 zeigt ein 25-W-Schaltnetzteil
von diesem Typ. Bei diesen Schaltnetzteilen
verzichtet man gänzlich auf den Eingangskondensator. Der Flyback-Konverter arbeitet
im Transition-Mode. Der primäre Schaltregler
schaltet ein, wenn der primäre Strom null ist.
Dies reduziert die Schaltverluste.
Durch eine Optimierung von Transformator und primärem Schaltregler erreicht man
mit dieser Lösung Wirkungsgrade von über
91 Prozent. Das Fehlen des primären Kondensators hat einen weiteren Vorteil – der sonst
problematische Einschaltstrom ist nicht vorhanden. Somit lassen sich viele Netzgeräte
parallel an der gleichen Netzphase einschalten, ohne dass eine Sicherung im Gebäude
auslöst. Ein weiterer Vorteil bei dieser Netzteiltopologie ist die Tatsache, dass für die PFKorrektur und die galvanische Trennung vom
Netzteil nur ein Transformator nötig ist. Dies
reduziert die Kosten und es sind sehr kompakte Netzteile realisierbar.
Mit dieser Lösung lassen sich alle Grenzwerte der Klasse C einhalten. Die grosse
Schwierigkeit bei der Powerfaktor-Korrektur
ohne Netzkondensator liegt in den erhöhten,
leitungsgebundenen Störungen im Bereich von
150 kHz bis 30 MHz. Da nun theoretisch kein
Eingangskondensator vorhanden ist, sind sehr
hohe Ströme, erzeugt vom primären Schaltregler im EMV-Eingangsfilter, zu dämpfen. Mit
den geeigneten Messmitteln ist es möglich, die
Störungen zu analysieren und basierend darauf ein optimales Filter auszulegen (Bild 3).
Aktive Powerfaktor-Korrektur
Bei Leistungen von über 100 W setzt man aktive PFC-Schaltungen ein. Auch hier gibt es
wiederum eine Vielzahl von Möglichkeiten.
Die am meisten verwendete ist der Boost-
Autor
Tobias Hofer, El.Ing., Stv.
Geschäftsführer und Entwickler im Bereich Schaltnetzteile bei Negal Engineering AG
[email protected]
Polyscope 16/10
ST ROMVERSORGUNG
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Klassifizierung von Geräten
■
■
■
■
Klasse A: Haushaltsgeräte, symmetrische
dreiphasige Geräte, Elektrowerkzeuge
Klasse B: tragbare Elektrowerkzeuge, Lichtbogenschweisseinrichtungen
Klasse C: Beleuchtungseinrichtungen mit einer
Leistung kleiner oder gleich 600 W
Klasse D: PC und Bildschirme, Fernseh-Rundfunk-Empfänger
Hilft bei der Filterauslegung
[mA]
0,03
0,025
0,02
0,015
0,01
0,005
0
■ gemessen
■ Grenzwert
5
3
7
9
11
13
Harmonic order
Bild 3: Oberwellen bei einem 25-W-Netzteil
Konverter. Die Eingangsspannung wird auf
eine konstante Zwischenkreisspannung hochgesetzt. Die nachfolgende galvanische Trennung übernimmt dann ein zweiter Wandler
– man spricht von einem zweistufigen Konzept. Nachteile sind die höheren Kosten durch
die zwei Stufen und die Begrenzung des Einschaltstroms. Der Wirkungsgrad solcher
Netzteile kann sehr hoch sein, im Bereich von
bis zu 94 Prozent.
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Fazit
Durch die geeignete Wahl der PowerfaktorKorrektur lassen sich Kosten einsparen. Mit
einfachen Konzepten kann man für die Beleuchtungstechnik Netzteile entwickeln, die
keinen Einschaltstrom haben und über einen
hohen Wirkungsgrad bei kleinen Abmessungen verfügen. Bei Schaltnetzteilen ohne Eingangskondensatoren ist viel Know-how für
die Auslegung von EMV-Filtern nötig, damit
sich mit möglichst kleinem Materialaufwand
ein effizientes und günstiges Netzteil entwickeln lässt.
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