اصلاح ضریب توان

در باره چیستی ضریب توان و چرایی ضرورت اصلاح آن مباحث زیادی مطرح شده است. محاسبه توان در جریان و ولتاژ DC به راحتی و از حاصل ضرب این دو کمیت حاصل می گردد . اما برای محاسبه توان در شرایط AC نمی توان به این شکل و سرراست عمل نمود.

در شرایط AC حاصلضرب Vi که مقدار موثر ولتاژ و Ii که مقدار موثر جریان است توان حقیقی را بدست می دهد و این فقط برای بار اهمی خالص صحیح می باشد. بعضی از قطعات مداری جریانی با اختلاف فاز 90 درجه ای نسبت به ولتاژ منبع را دریافت می کنند. این جریان وانمود می کند که انرژی ای را از منبع ورودی می کشد که به طور موقت در ادوات راکتیو ذخیره می شود.

سپس این انرژی ذخیره شده به منبع ورودی برگردانده می شود. این انرژی در توان بار مشارکتی نمی­کند ولی در مقاومت سیم های منبع و خط، توان تلف می شود.

واژه ضریب توان ( Power Factor ) برای تئوری مدارات AC ارائه شده است . هنگامی که یک منبع سینوسی متناوب یک بار خازنی یا سلفی را تغذیه می­کند جریانی که کشیده می شود نیز سینوسی می­باشد ولی دارای پیش فازی یا پس فازی نسبت به ولتاژ منبع است. در این حالت توان حقیقی به صورت  Vi Ii cos(x) محاسبه می شود. x برابر است با اختلاف فاز بین جریان و ولتاژ بار که در حالت کلی به مقدار cos(x) ضریب توان اطلاق می­شود.

برای جلوگیری از تلفات توان نیازمندیم تا مقدار ضریب توان را تا حد ممکن به یک نزدیک نگه داریم . به این معنی که جریانی که از منبع کشیده می­شود همواره شکل موج سینوسی و هم فاز با منبع داشته باشد. این باعث می شود تا خط ورودی از هارمونیک های شدید هم ایمن بماند. به اقداماتی که جهت رسیدن به این منظور انجام می شود اصلاح ضریب توان یا به اختصار PFC (Power Factor Correction) می گویند.

در رگلاتور های کلید زنی ( منابع تغذیه سوئیچینگ ) هر ساختار مداری که باعث می شود که جریان ورودی حالت سینوسی نداشته باشد و یا در صورت سینوسی بودن با منبع همفاز نباشد ، نتایج هارمونیکی به همراه ضریب توان پایین را در بر خواهد داشت که منجر به تلفات در سیستم می­شود. به عنوان مثال مداراتی که در آنها از خازن ورودی در کنار پل دیودی یکسو ساز استفاده شده است، جریان ورودی از منبع دارای حالت ضربه ای سریع و افت و خیز شکل موج جریان در پهنای باریکی خواهد بود. این امر منجر به ایجاد اثرات EMI در مدار می­شود.

درکشورهای مختلف الزاماتی جهت ارائه ضریب توان قابل قبول از طرف تولید کنندگان وجود دارد. به عنوان مثال طبق قوانین کشورهای اروپایی ، ضریب توان منابع روشنایی شهری باید بالای 0.7 و ضریب توان منابع روشنایی تجاری باید بالا 0.9 باشد . در تمامی موارد ؛ برای منابع نوری با توان بالای 25 وات ضریب توان بالای 0.95 تا پایان عمر منبع نوری الزام شده است. در ایالات متحده امریکا نیز استاندارد هایی از طرف برخی نهاد ها از جمله DoE و Energy Star با مقادیری نزدیک به مقادیر ارائه شده توسط کشورهای اروپایی وجود دارد . برای ایالت کالیفرنیا مقدار قابل قبول برای تمامی رده های توان ، ضریب توان بالای 0.9 برای تمامی مصارف شهری و تجاری می­باشد.

همانطور که گفته شد ارتباط مستقیمی ما بین ضریب توان و اعوجاج هارمونیکی کل وجود دارد.

رابطه فوق بیانگر این نکته است که به ازای کاهش مقدار اعوجاج هارمونیکی کل THD ، افزایش ضریب توان مدار مشاهده خواهد شد. در کشورهای اروپایی ملزومات طراحی در مباحث الکترومغناطیسی برای مصارف روشنایی توسط استاندارد به شماره EN-61000-3-2 class C ارائه شده است.

انجام PFC به دو صورت انجام می پذیرد ؛ حالت اکتیو و حالت پسیو . حالت پسیو با اضافه کردن یک سلف و یک خازن در ورودی مدار صورت می گیرد. این حالت PFC را بدون نیاز به کنترل و با هزینه پایین انجام می دهد. اما این روش دارای معایبی می باشد.

برای اصلاح ضریب توان پسیو ، شرایط کار مدار در فرکانس پایین به معنی افزودن سلف و خازن هایی با سایز و وزن بالا است. علاوه بر آن حالت پسیو برای شرایط خاص طراحی می­گردد و در تمامی حالات جوابگو نیست. همچنین در بسیاری از موارد نتایج حاصل از  اصلاح ضریب توان پسیو مطابق با استاندارد های روشنایی نمی باشد.

در حالت اکتیو ضریب توان بهتری را می­توان بدست آورد. مدارات PFC شامل ساختارهای Buck ، Boost ، Buck-Boost و فلای بک و نظایر آنها بوده که قابلیت کار کرد در هر سه حالت کاری CCM ، DCM و CRM را دارند. بنابر حالات ذکر شده سلول های اصلاح ضریب توان را می­توان به پنج بخش تقسیم کرد.

1- سلول های PFC کاهنده

مرسوم ترین ساختار کاهنده Buck می­باشد. به دلیل خواص ذاتی این مبدل ، برای حالتی که نیازمند فشار ولتاژ کم باس در ولتاژ باس خازن مبدل DC به DC است ، مناسب می باشد. به دلیل تعداد قطعات پایین، مبدل Buck  دارای راندمان بالایی است. بنابراین برای ساختار­های مجتمع می تواند گزینه ایده آلی باشد.

معایبی نیز برای این ساختار وجود دارد . در لحظاتی که ولتاژ ورودی به مقداری پایین تر از ولتاژ  LED ها می رسد ، جریان ورودی صفر خواهد شد . پیروی نکردن جریان از ولتاژ بار موجب می شود که ضریب توان نتواند به میزان واحد نزدیک تر شود.

2- سلول های PFC افزاینده

مبدل Boost نوعی از ساختار های افزاینده پرکاربرد می­باشد. وجود سلف در ورودی می تواند در کاهش THD نقش موثری داشته باشد. اما زمانی که ولتاژ ورودی زیاد می شود ، ممکن است ولتاژ خروجی از ولتاژ نامی خازن باس فراتر برود و این مسئله انتخاب خازن باس را مشکل­تر می کند. همچنین در بسیاری از طراحی­ها برای سلول­های افزاینده از حالت هدایت مرزی (CRM) استفاده می شود. این ساختار به دلیل بهره بالا در کنار هزینه کم و سادگی­های طراحی ، در زمینه طراحی سلول­های PFC کاربردهای گسترده­ای پیدا کرده است.

3- سلول های PFC کاهنده – افزاینده

مبدل Buck-Boost به دلیل توانایی همزمان در کاهش و افزایش ولتاژ خروجی نسبت به ورودی محبوبیت زیادی دارد. ساختار های افزاینده کاهنده برخی از نواقص مبدل Buck-Boost از جمله پلاریته برعکس در خروجی را اصلاح کرده اند. این اصلاح ساختار می تواند به طراحی در ساختار های مجتمع کمک بسیاری نماید . زیرا از پیچیدگی طراحی کاسته می شود. به عنوان مثال مبدل SEPIC می تواند علاوه بر حفظ مزایای مبدل Buck-Boost ، نقش مثبت مبدل Boost در تثبیت جریان ورودی را ایفا نماید. ضریب توان طبیعی خوب و اعوجاج هارمونیکی پایین از ویژگی های ذاتی این مبدل می باشد.

4- سلول های PFC فلای بک

مبدل­های فلای بک مرسوم از ترکیب دو سلف که در حقیقت به صورت ترانسفورمر عمل می کنند تشکیل می شود که یکی از سلف ها نقش سیم پیچ اولیه و دیگری نقش سیم پیچ ثانویه را دارد. هنگام روشن بودن کلید انرژی در سیم پیچ اولیه ذخیره می­شود و با قطع شدن کلید ، انرژی ذخیره شده در ثانویه تخلیه می­شود. ساختار فلای بک سازگاری زیادی با مبدل های ولتاژ ثابت در خروجی دارند اما با اعمال سیستم کنترلی می­توان در سیستم های جریان ثابت خروجی نیز از آنها بهره برد.

این ساختار غالبا در جایی استفاده­ می شود که نیاز به ایزوله کردن بار از منبع وجود دارد. ویژگی ذکر شده باعث ایمنی و قابلیت اطمینان بالا در مدار می شود.  با توجه به اینکه ضریب توان مناسبی از این مبدل قابل حصول می باشد می تواند در ساختار PFC نقش مناسبی ایفا نماید. در حالت DCM در این ساختار می توان به یک ضریب توان نزدیک یک رسید اما به دلیل بالا بودن سطح جریان در این حالت مدار با افت بازده مواجه می شود. در حالت CCM و CRM نیز سطح پایین جریان باعث کاهش تلفات در کلید ها می شود ولی ضریب توان حاصله مقدار بزرگی نخواهد بود. هزینه بالا و راندمان پایین تر در مقایسه با ساختار­هایی مانند Buck  از نقاط ضعف این مبدل ها است.

5- سلول های PFC ترکیبی

سلول های ترکیبی PFC از ترکیب سلول های معرفی شده ایزوله و غیر ایزوله در این بخش تشکیل می­شود. عمدتا هدف از ایجاد این ترکیب بهره بردن از مزیت ارائه شده توسط هر کدام از این مبدل ها است. این ساختار موجب کوچک شدن سایز خارن باس می گردد. در حالی که از یک کلید برای کنترل استفاده می شود اما ضریب توان مناسبی از مدار اخذ می گردد. ساختار Buck-Boost  ورودی در حالت DCM کار می کند که عامل ایجاد ضریب توان مناسب است. در حالی که Buck-Boost خروجی در حالت CCM و موجب ایجاد جریان تثبیت شده و نیز کوچکتر شدن سایز خازن خروجی می شود.

چند نمونه از مدارات PFC از جمله (Bi-Bred) BB و (Buck-Boost-Buck) BBB است که هر کدام ویژگی منحصر به فردی را به نمایش می گذارند. به طور مثال BBB در ضرایب تبدیل ولتاژ بزرگ کاربرد فراوانی می تواند داشته باشد. ساختار BB نیز عملکرد مناسبی در طراحی­هایی که به شاخه اتصال LED ها با ولتاژ بزرگ نیاز است ، دارد.