¿Cómo funciona la corrección activa del factor de potencia en las fuentes de alimentación de la computadora?

No estoy buscando una explicación muy detallada (aunque sería bienvenida). Estoy más interesado en comprender intuitivamente cómo funciona.

Básicamente en la fuente de alimentación de la computadora tengo entrada seguida de filtros seguidos de circuito PFC seguido de interruptor seguido de transformador seguido de rectificado y al final tengo filtrado de salida y consumidor. Por lo que he leído, el mismo circuito PWM que controla el interruptor y regula el voltaje en la salida también controla la corrección del factor de potencia activo.

Lo que no entiendo es la forma en que se corrige el factor de potencia.

Aquí hay una foto:

¿Cómo funcionan esos dos transistores aquí y cómo determinaría el controlador PFC que el factor de potencia es malo?

Sé que el factor de potencia generalmente se corrige con bobinas y condensadores y veo ambos aquí, pero no entiendo qué sucede realmente cuando uno de los transistores comienza a conducir, por qué se necesitan dos transistores y cómo eso afecta el factor de potencia.

El factor de potencia se gestiona ("corregido" es realmente el término incorrecto, aunque es el común) haciendo que la corriente siga el voltaje. En su esquema, el voltaje del bus será un poco más alto que los picos de la forma de onda de CA. El inductor, los FET, el diodo y el condensador forman un convertidor de refuerzo. Este convertidor toma el voltaje de entrada de CA rectificado y genera el voltaje del bus.

Si el sistema de control solo regulara el voltaje de salida, no habría PFC. En cambio, lo que hace es regular la corriente promedio a través del diodo para que sea proporcional al voltaje de entrada de CA rectificado instantáneo. Recuerde que la carga ideal desde el punto de vista del factor de potencia tiene la corriente en fase con el voltaje. Otra forma de verlo es que la carga en la línea de CA debe parecer resistiva. Al igual que una resistencia real, desea mantener la corriente proporcional al voltaje.

Por supuesto, eso está en desacuerdo con la regulación del voltaje del bus. Esto se maneja teniendo una respuesta rápida al voltaje de entrada de CA pero una respuesta mucho más lenta a la regulación del voltaje del bus. En otras palabras, la línea de CA todavía ve una resistencia, pero el valor de resistencia cambia lentamente según sea necesario para mantener el voltaje del bus cerca de su valor objetivo.

Puede consultar mi escritura de Control digital PFC para obtener más información sobre PFC y una forma que se me ocurrió para mantener la corriente proporcional al voltaje sin tener que medir la corriente. Tengo una patente sobre eso, que también incluye el uso de la computación digital para controlar el voltaje del bus con mayor precisión. Con un poco de potencia de cálculo, puede saber qué ondulación se produce en el bus debido al seguimiento del voltaje de la línea de CA, luego use eso para determinar qué cambió debido a la demanda variable de la carga. Esto permite ajustar los cambios de carga más rápidamente que el enfoque convencional pero sin derrotar la función PFC.

Simplificado:

• el controlador PFC no "sabe" si el factor de potencia es "malo", garantiza que el factor de potencia sea bueno
• tener dos transistores como se ilustra es irrelevante en términos de operación del convertidor de refuerzo (ambos estarán encendidos y apagados al mismo tiempo)
• la corrección del factor de potencia pasiva con bobinas y condensadores es fundamentalmente diferente de la corrección del factor de potencia activa

El documento canónico sobre PFC activo de Philip C. Todd da una explicación muy detallada de cómo funciona PFC, y aunque está escrito para un controlador arcaico (el UC3854), las ideas siguen siendo relevantes y la base de muchas implementaciones modernas de PFC activo.

El propósito fundamental de un controlador PFC activo es hacer que la carga extraída de la red eléctrica parezca resistiva. Obviamente, la carga aguas abajo no es resistiva en la mayoría de los casos (generalmente una carga de potencia constante como un convertidor CC / CC). La forma en que el controlador PFC puede lograr la corrección del factor de potencia es detectando la forma de onda de CA y modulando el ciclo de trabajo de un convertidor (generalmente un refuerzo) para que actúe como una resistencia: no dibuje corriente en los cruces por cero y dibuje la corriente máxima en la CA picos

El PFC pasivo (las bobinas y los condensadores que describió) implica colocar un gran filtro de paso bajo en la red eléctrica para contrarrestar la carga no ideal. No hay ninguna "inteligencia" involucrada.

En la ilustración que proporcionó faltan las redes de detección que usa un controlador PFC típico:

• la entrada de detección de forma de onda de CA
• la salida de detección de CC
• la corriente MOSFET

La detección de forma de onda proporciona una señal al controlador PFC, generalmente en forma de corriente, que representa la forma de onda de CA después del rectificador de puente. El controlador PFC utiliza esta entrada de forma de onda para controlar el ciclo de trabajo del convertidor.

La detección de CC de salida es un bucle de voltaje lento (generalmente menos de 20 Hz) que mantiene la regulación de salida del convertidor elevador. Tiene que tener un ancho de banda más bajo que la entrada de forma de onda de CA, o PFC no funcionará.

La detección de corriente MOSFET es un bucle de corriente rápido, utilizado para el control del modo actual.

El "factor de potencia" se refiere a dos preocupaciones separadas:

• El ángulo de fase entre corriente y voltaje (más diferencia de fase = menor potencia entregada en comparación con I * V)

• la distorsión de la corriente causada por cargas no lineales: el factor de cresta = corriente máxima / corriente eficaz puede ser mucho mayor que el sqrt (2) para ondas sinusoidales, lo que conduce a armónicos que causan más disipación en el sistema de transmisión de la empresa de servicios públicos.

Un circuito PFC en una fuente de alimentación se dirige principalmente al segundo de estos. Si se deshiciera del inductor + los MOSFET en ese diagrama, terminaría con una carga de factor de cresta muy alta: el diodo atrae grandes "sorbos" de corriente hacia el condensador.

El circuito PFC intenta proteger al servicio público de esto, haciendo que la corriente a través del inductor se convierta en una onda sinusoidal rectificada (en fase con el voltaje), haciendo que la corriente en la red eléctrica del servicio público parezca una onda sinusoidal.

¿Por qué se necesitan dos transistores? No lo son, ese es un detalle de implementación (quizás sea más rentable usar dos MOSFET más pequeños en un paquete común que usar un MOSFET más grande en un paquete poco común).

El circuito de control enciende el MOSFET que aumenta la corriente a través del inductor. Apagar el MOSFET permitirá que la corriente fluya hacia la carga, lo que generalmente disminuye la corriente. El circuito de control decide encenderlo / apagarlo para controlar la corriente a través del inductor, como una onda sinusoidal rectificada, como dije anteriormente.

Es también regula la tensión en la salida.

Hacer esto requiere un poco más de complejidad que, por ejemplo, un convertidor CC / CC normal, así como más capacidad de almacenamiento de energía tanto en el inductor como en el condensador.