Como funciona a correção do fator de potência ativo nas fontes de alimentação do computador?

Não estou procurando uma explicação muito detalhada (embora seja bem-vinda). Estou procurando entender intuitivamente como funciona.

Basicamente, na PSU do computador, tenho entrada seguida pelos filtros seguidos pelo circuito PFC seguido pelo switch seguido pelo transformador seguido pelo retificado e no final tenho filtragem de saída e consumidor. Pelo que li, o mesmo circuito PWM que controla o comutador e regula a tensão na saída também controla a correção do fator de potência ativo.

O que não entendo é a maneira como o fator de potência é realmente corrigido.

Aqui está uma foto:

Como esses dois transistores funcionam aqui e como o controlador PFC determinaria que o fator de potência é ruim?

Eu sei que o fator de potência geralmente é corrigido com bobinas e capacitores e vejo os dois aqui, mas não entendo o que realmente acontece quando um dos transistores começa a conduzir, por que dois transistores são necessários e como isso afeta o fator de potência.

O fator de potência é gerenciado ("corrigido" é realmente o termo errado, embora seja o comum), fazendo a corrente seguir a tensão. No seu esquema, a tensão do barramento será um pouco maior que os picos da forma de onda CA. O indutor, FETs, diodo e capacitor formam um conversor de impulso. Este conversor pega a tensão de entrada CA retificada e faz a tensão do barramento.

Se o sistema de controle apenas regulasse a tensão de saída, não haveria PFC acontecendo. O que ele faz é regular a corrente média através do diodo para ser proporcional à tensão de entrada CA retificada instantânea. Lembre-se de que a carga ideal do ponto de vista do fator de potência tem a corrente em fase com a tensão. Outra maneira de ver é que a carga na linha CA precisa parecer resistente. Assim como um resistor real, você deseja manter a corrente proporcional à tensão.

Claro que isso está em desacordo com a regulação da tensão do barramento. Isso é feito tendo uma resposta rápida à tensão de entrada CA, mas uma resposta muito mais lenta à regulação da tensão do barramento. Em outras palavras, a linha CA ainda vê resistência, mas o valor da resistência é alterado lentamente conforme necessário para manter a tensão do barramento próxima ao seu valor-alvo.

Você pode verificar o meu registro do Controle Digital PFC para obter mais informações sobre o PFC e uma maneira que eu criei para manter a corrente proporcional à tensão sem precisar medir a corrente. Eu tenho uma patente sobre isso, que também inclui o uso de computação digital para controlar a tensão do barramento com mais precisão. Com um pouco de energia computacional, você pode saber qual ondulação é causada no barramento devido ao acompanhamento da tensão da linha CA e, em seguida, usar isso para determinar o que mudou devido à demanda variável da carga. Isso permite ajustar as alterações de carga mais rapidamente do que a abordagem convencional, mas sem derrotar a função PFC.

Simplificado:

• o controlador PFC não "sabe" se o fator de potência é "ruim", garante que o fator de potência é bom
• ter dois transistores como ilustrado é irrelevante em termos de operação do conversor de impulso (ambos serão ligados e desligados ao mesmo tempo)
• a correção passiva do fator de potência com bobinas e capacitores é fundamentalmente diferente da correção ativa do fator de potência

O artigo canônico sobre PFC ativo de Philip C. Todd fornece uma explicação muito detalhada de como o PFC funciona e, embora tenha sido escrito para um controlador arcaico (o UC3854), as idéias ainda são relevantes e a base para muitas implementações ativas modernas do PFC.

O objetivo fundamental de um controlador PFC ativo é fazer com que a carga extraída da rede elétrica pareça resistiva. Obviamente, a carga a jusante não é resistiva na maioria dos casos (geralmente uma carga de energia constante como um conversor DC / DC). A maneira como o controlador PFC pode obter a correção do fator de potência é detectando a forma de onda CA e modulando o ciclo de trabalho de um conversor (geralmente um impulso) para agir como um resistor - não puxa corrente nos cruzamentos zero e puxa corrente máxima no CA picos.

O PFC passivo (as bobinas e os capacitores que você descreveu) envolve colocar um grande filtro passa-baixo na rede elétrica para neutralizar a carga não ideal. Não há nenhuma 'inteligência' envolvida.

A ilustração que você forneceu está ausente das redes de detecção que um controlador PFC típico usa:

• a detecção de forma de onda AC de entrada
• a saída DC sensing
• a corrente MOSFET

O sensor de forma de onda fornece um sinal ao controlador PFC, geralmente na forma de corrente, que representa a forma de onda CA após o retificador da ponte. O controlador PFC usa essa entrada de forma de onda para controlar o ciclo de trabalho do conversor.

A detecção CC de saída é um loop de tensão lenta (geralmente menor que 20Hz) que mantém a regulação de saída do conversor de reforço. Ele precisa ter uma largura de banda menor que a entrada da forma de onda CA ou o PFC não funcionará.

O sensor de corrente MOSFET é um loop de corrente rápido, usado para o controle do modo atual.

"Fator de potência" refere-se a duas preocupações separadas:

• o ângulo de fase entre corrente e tensão (mais diferença de fase = menor potência fornecida em comparação com I * V)

• a distorção da corrente causada por cargas não lineares: fator de pico = corrente de pico / corrente rms pode ser muito maior que o sqrt (2) para ondas senoidais, levando a harmônicos que causam mais dissipação no sistema de transmissão da concessionária.

Um circuito PFC em uma fonte de alimentação aborda principalmente o segundo deles. Se você se livrasse do indutor + dos MOSFETs nesse diagrama, acabaria com uma carga de fator de crista muito alta: o diodo atrai grandes "goles" de corrente para o capacitor.

O circuito do PFC tenta proteger a rede elétrica disso, transformando a corrente através do indutor em uma onda senoidal retificada (em fase com a tensão), fazendo com que a corrente na rede elétrica pareça uma onda senoidal.

Por que dois transistores são necessários? Não são, é um detalhe de implementação (talvez seja mais econômico usar dois MOSFETs menores em um pacote comum do que usar um MOSFET maior em um pacote incomum).

O circuito de controle liga o MOSFET, o que aumenta a corrente através do indutor. Desligar o MOSFET permitirá que a corrente flua para a carga, o que geralmente diminui a corrente. O circuito de controle decide ativá-lo / desativá-lo para controlar a corrente através do indutor - como uma onda senoidal retificada, como afirmei anteriormente.

É também regula a tensão na saída.

Para fazer isso, é necessário um pouco mais de complexidade do que, digamos, um conversor CC / CC comum, além de mais capacidade de armazenamento de energia no indutor e no capacitor.