Le facteur de puissance (FP) d’une source de courant alternatif est défini en tant que rapport de la puissance réelle (en Watts) dirigée vers la charge sur la puissance apparente (VA) du circuit.
Il est exprimé comme suit :
FP = Puissance réelle (W)/Puissance apparente (VA)
L’équation ci-dessus indique que le facteur de puissance correspond à une valeur comprise entre 0 et 1. Elle est égale à 1 pour des valeurs identiques de puissance réelle et de puissance apparente. Cette configuration se produit uniquement dans les scénarios où les ondes de tension et de courant sont en phase et sinusoïdales (Figure 1). Néanmoins, si les deux valeurs sont sinusoïdales mais déphasées, la puissance apparente est supérieure à la puissance réelle, et le facteur de puissance correspond au cosinus de l’angle de phase θ entre les ondes de courant et de tension. En d’autres termes, FP = Cosθ. Dans la pratique, un facteur de puissance égal à 1 est une situation idéale dans laquelle la charge est intégralement résistive et linéaire. Dans la réalité, les sources d’alimentation CA/CC hors ligne installées dans les systèmes électroniques exécutent un mode commuté et présentent une charge non linéaire.
Figure 1 : Le facteur de puissance est égal à 1 lorsque les ondes du courant et de la tension d’entrée sont en phase et sinusoïdales. (Source : Infineon)
Dans la mesure où les sources d’alimentation actuelles s’exécutent principalement en mode commuté, elles génèrent une onde non sinusoïdale, associée à un angle de phase θ entre les ondes du courant et de la tension d’entrée. Lorsque l’onde du courant n’est pas alignée sur l’onde de tension (Figure 2), le FP correspond à une valeur inférieure à 1, basée sur le Cosθ. Par exemple, si θ = 45°, FP = Cos45 = 0,707. Outre les pertes de puissance, un facteur de puissance inférieur à 1 entraîne la propagation d’ondes harmoniques le long de la ligne neutre et perturbe le fonctionnement des autres appareils connectés à la ligne d’alimentation principale CA. Plus la valeur de FP est faible, plus le contenu harmonique sur la ligne CA est élevé, et inversement.
Figure 2 : Le facteur de puissance est inférieur à 1 lorsque l’onde de courant n’est pas alignée sur l’onde de tension. (Source : Infineon)
De fait, des réglementations strictes encadrent la distorsion harmonique autorisée sur la ligne d’alimentation principale CA. Comme réglementation européenne bien connue, citons l’EN61000-3-2. Elle a été définie dans l’objectif de limiter le renvoi des harmoniques des équipements électroniques vers les lignes d’alimentation principales. Elle s’applique aux systèmes électroniques de classe C, comme les PC (y compris les ordinateurs portables et les écrans de PC) et les récepteurs de radio et de télévision présentant une consommation supérieure à 75 W. La classe D est l’une des 4 classes (A, B, C et D) encadrées par la norme EN61000-3-2, qui impose différentes limites de courant harmonique à chaque classe. Il s’agit désormais d’une norme internationale.
Pour se mettre en conformité avec les limites d’harmoniques des réglementations comme EN61000-3-2 et conserver un niveau global élevé de facteur de puissance, il est nécessaire d’intégrer une correction du facteur de puissance dans les modules de convertisseur frontaux CA/CC utilisés dans les systèmes électroniques présentant une consommation supérieure à 75 W. L’implémentation d’une correction du facteur de puissance permet d’établir une valeur élevée du facteur de puissance et garantit le maintien d’harmoniques faibles. Actuellement, il existe plusieurs techniques actives et passives disponibles pour les différentes topologies de sources d’alimentation employées dans les modules frontaux CA.
Correction passive du facteur de puissance
La méthode la plus simple de contrôle du courant harmonique consiste à utiliser un filtre passif constitué d’une bobine et d’un condensateur. En laissant passer le courant uniquement à la fréquence de la ligne d’alimentation (50 ou 60 Hz), ce filtre LC réduit les harmoniques. De fait, l’appareil non linéaire présente une apparence linéaire, et la valeur du facteur de charge se rapproche de l’unité. Toutefois, le filtre nécessite une bobine de courant élevé et un condensateur haute tension, ce qui constitue une configuration encombrante et coûteuse.
Corrections actives du facteur de puissance
Figure 3 : La solution de correction active du facteur de puissance utilise un contrôleur de semiconducteur placé entre le redresseur d’entrée et le condensateur de stockage, suivi par le convertisseur CC/CC. (Source : ON Semiconductor)
La solution de correction active du facteur de puissance utilise une puce de contrôleur de semiconducteur, qui est placée entre le redresseur d’entrée et le condensateur de stockage, suivis par le convertisseur CC/CC, comme illustré dans la Figure 3. Ce circuit aligne le courant d’entrée sur l’onde de tension d’entrée et présente une valeur élevée de facteur de puissance, généralement supérieure à 0,9. Globalement, il existe 3 types différents de circuits intégrés de contrôleur de correction du facteur de puissance. Il s’agit des circuits en mode conduction critique, en mode conduction continue et en mode conduction discontinue. Plusieurs fabricants proposent plusieurs de ces types de circuits intégrés de contrôleur de correction du facteur de puissance. Chacun présente ses propres versions, fournies avec un mode d’utilisation spécifique.