Proč jej potřebujeme a jak funguje

Co je účiník a proč záleží?

Účiník (power factor, PF) je bezrozměrné číslo mezi 0 a 1, které říká, jak efektivně zařízení odebírá elektrický výkon ze sítě.

• PF = 1,0 → ideální stav, proud je sinusový a přesně ve fázi s napětím

• PF < 1,0 → proud je posunutý nebo deformovaný, vzniká jalový výkon, roste zatížení vedení, transformátorů i jističů

Moderní elektronická zařízení využívají spínané zdroje, jejichž nelineární odběr způsobuje deformaci proudu a tedy nízký účiník. Toto zatěžuje síť a vyvolává vyšší proudové špičky i elektromagnetické rušení.

Z toho důvodu se používá PFC – Power Factor Correction, tedy korekce účiníku.

Typy PFC

Pasivní PFC

Pasivní PFC využívá cívky a kondenzátory ke zlepšení PF. Je levné, jednoduché, ale účinnost je omezená a výsledek obvykle končí na PF ≈ 0,7–0,8. Pasivní tlumivky jsou navíc velké a těžké.

Aktivní PFC (APFC)

Aktivní PFC využívá elektronicky řízený měnič, který tvaruje proud tak, aby:

• měl sinusový průběh

• byl ve fázi s napětím

• neměl velké harmonické složky

Jeho účinnost se běžně dostává na PF 0,95–0,99.

Jak funguje aktivní PFC: princip a schéma

4

Aktivní PFC nejčastěji pracuje jako boost měnič řízený tak, aby proud kopíroval tvar síťového napětí.

Základní části aktivního PFC:

1. Usměrňovač (mostek) – převede AC na pulsující DC

2. Boost tlumivka

3. MOSFET tranzistor – spínáním reguluje proud

4. Diody / rychlá dioda – propouští energii do výstupního kondenzátoru

5. Řídicí obvod (PFC kontrolér) – měří napětí i proud a řídí MOSFET

Pracovní princip:

1. Řídicí obvod měří okamžité síťové napětí.

2. Vypočítá referenční proud, který má být sinusový a ve fázi s napětím.

3. MOSFET se spíná vysokou frekvencí (50–200 kHz), aby proud odebíraný ze sítě přesně sledoval tento referenční průběh.

4. Boost měnič zajišťuje stabilní výstupní napětí (obvykle 380–400 V DC), nezávisle na amplitudě sítě.

Výsledkem je téměř ideální účiník a zároveň stabilní DC napětí pro následný spínaný zdroj (SMPS).

Typy aktivních PFC topologií

1) Boost PFC (klasický)

Popis

Nejběžnější a nejzavedenější varianta.
Obsahuje usměrňovací můstek, za nímž následuje boost měnič.

Výhody

• jednoduchá konstrukce

• široce dostupné komponenty

• vysoká spolehlivost

Nevýhody

• ztráty na diodovém mostku (2× úbytek diody)

• nižší účinnost než modernější topologie

Použití: většina zdrojů 75–600 W.

2) Bridgeless PFC (mostless PFC)

Popis

Odstraňuje klasický usměrňovací můstek → pro polokmit pracuje jedna větev, pro opačný druhá.
Tím se eliminují ztráty na čtyřech diodách mostku.

Výhody

• vyšší účinnost (o 1–2 %)

• nižší zahřívání

Nevýhody

• složitější konstrukce

• vyšší nároky na EMC

• různé napěťové úrovně v obvodu → obtížnější návrh

Použití: výkonné průmyslové zdroje, servery.

3) Totem-Pole PFC (TPPFC)

Popis

Nejmodernější varianta aktivního PFC.
Používá dvojici tranzistorů ve „totem-pole“ konfiguraci a GaN nebo rychlé MOSFETy, které umožňují velmi rychlé spínání.
Diodový můstek je nahrazen aktivním řízením tranzistorů, takže propad napětí je minimální.

Výhody

• extrémně vysoká účinnost (až 99 %)

• velmi nízké ztráty

• vhodné pro vysoké výkony (1–10+ kW)

• ideální pro EV nabíječky, moderní servery, telekomunikace

Nevýhody

• náročnější řízení

• potřebuje velmi rychlé tranzistory (často GaN)

• náročnější EMC návrh

Shrnutí