1. Введение: зачем нужен PFC
Коэффициент мощности (КМ, PF) — отношение активной мощности P (полезной) к полной мощности S:
PF=SP=cosφ⋅DF,
где:
- cosφ — сдвиг фаз между напряжением и током;
- DF (Displacement Factor) — коэффициент искажения из‑за гармоник тока.
Без PFC в ИИП:
- ток потребления имеет импульсный характер (пики на вершинах синусоиды сети);
- PF ≈ 0,5–0,7;
- высокие гармонические искажения (THD > 100 %);
- перегрузка нейтрального провода в трёхфазных сетях.
Активный PFC решает задачи:
- повышение PF до 0,95–0,99;
- снижение THD тока до < 10 %;
- стабилизация промежуточного напряжения постоянного тока;
- соответствие стандартам (EN 61000‑3‑2, IEC 61000‑3‑2).
2. Принципы работы активного PFC
2.1. Базовая концепция
Активный PFC — повышающий преобразователь (boost converter), управляемый так, чтобы ток сети следовал за формой напряжения с минимальным фазовым сдвигом и искажениями.
Ключевые функции:
- Формирует синусоидальный входной ток.
- Поддерживает постоянное выходное напряжение Uout (обычно 380–400 В).
- Компенсирует пульсации входной мощности.
2.2. Структурная схема
- Входной выпрямитель (диодный мост) — преобразует AC в пульсирующий DC.
- Boost‑преобразователь (ключ + диод + дроссель) — регулирует ток через дроссель.
- Контроллер PFC — формирует ШИМ для ключа на основе:
- сигнала обратной связи по Uout;
- сигнала входного напряжения Uin;
- датчика тока дросселя.
- Выходной конденсатор — сглаживает пульсации.
2.3. Алгоритмы управления
- Average Current Mode Control (ACMC) — регулирование среднего тока дросселя за период.
- Peak Current Mode Control (PCMC) — ограничение пикового тока.
- Digital PFC — микроконтроллерная реализация с адаптивными алгоритмами.
3. Основные схемы PFC
3.1. Однофазный boost‑PFC
Типовая топология:
- вход: 85–265 В AC;
- выход: 380–400 В DC;
- мощность: 50–2000 Вт;
- ключ: MOSFET (600–650 В);
- диод: ультрабыстрый SiC или Si (600 В).
Преимущества:
- простота, низкая стоимость;
- высокий КПД (93–97 %);
- стандартизированные контроллеры (L6562A, UCC28017A).
3.2. Многофазный (многоканальные) PFC
Принцип: параллельное включение нескольких boost‑каскадов с фазовым сдвигом.
Цель: снижение пульсаций входного тока и выходного напряжения.
Применение: мощности > 2 кВт.
3.3. Interleaved PFC (чередующийся)
Особенность: ключи работают с фазовым сдвигом (например, 180° для двухфазного).
Плюсы:
- снижение пульсаций тока в 2–4 раза;
- меньшие габариты дросселей;
- улучшение теплового режима.
3.4. Трехфазный PFC
Топологии:
- трёхфазный мостовой boost;
- Vienna rectifier (трёхфазный трёхуровневый).
Применение: промышленные ИБП, зарядные станции, серверные блоки питания.
PF > 0,99, THD < 5 %.
4. Расчёт основных элементов PFC
4.1. Исходные данные
- Входное напряжение: UAC=230 В±20%.
- Выходное напряжение: UDC=400 В.
- Мощность: Pout=500 Вт.
- Частота сети: fline=50 Гц.
- Частота переключения: fsw=100 кГц.
- Допустимые пульсации UDC: ΔUDC≤10 В.
4.2. Расчёт дросселя
Индуктивность L:
L≥2⋅Pout⋅fsw⋅ΔIL(UDC−UAC(min))⋅UAC(min),
где ΔIL — размах пульсаций тока (обычно 20–40 % от Iavg).
Пример:
UAC(min)=184 В, Iavg=UAC(min)Pout≈2,72 А, ΔIL=0,54 А.
L≥2⋅500⋅100000⋅0,54(400−184)⋅184≈0,145 мГн=145 мкГн.
Выбор: L=150 мкГн, ток насыщения > 4 А.
4.3. Расчёт выходного конденсатора
Ёмкость C:
C≥2⋅fline⋅UDC⋅ΔUDCPout.
Пример:
C≥2⋅50⋅400⋅10500=1250 μФ.
Выбор: 2 × 680 мкФ (450 В) параллельно (с учётом температурного снижения ёмкости).
4.4. Выбор силового ключа (MOSFET)
- Напряжение VDS(max): ≥UDC+50 В=450 В → выбираем 600 В.
- Ток ID(max): >Ipeak≈Iavg+2ΔIL≈3 А → 8–10 А.
- Сопротивление RDS(on): < 0,1 Ом (для снижения потерь).
- Заряд затвора QG: < 50 нКл (для fsw=100 кГц).
Пример: IPP60R120P7 (600 В, 11 А, RDS(on)=0,12 Ω, QG=43 нКл).
4.5. Выбор диода
- Обратное напряжение VR: ≥UDC=400 В → 600 В.
- Прямой ток IF: $>
