Il fattore di potenza (PF) di una fonte di corrente alternata (CA) è definito come il rapporto tra la potenza reale (watt) che fluisce nel carico e la potenza apparente (VA) nel circuito
La formula che lo descrive è:
PF = Potenza reale (W)/Potenza apparente (VA)
L’equazione sopra mostra che PF è un valore che può variare tra 0 e 1. Il valore di PF è 1 quando la potenza reale e quella apparente sono uguali. Questo si verifica solo quando le forme d’onda di corrente e tensione sono in fase e sinusoidali (Figura 1). Tuttavia, se entrambe sono sinusoidali, ma sfasate, la potenza apparente è superiore a quella reale, e il valore di PF è uguale al coseno dell’angolo di sfasamento θ tra le forme d’onda di corrente e tensione. In altre parole, PF = Cosθ. Nella pratica, PF = 1 rappresenta una situazione ideale, dove il carico è puramente resistivo e lineare. Nella realtà, gli alimentatori CA/CC offline, disponibili nei sistemi elettronici, sono di tipo a commutazione e presentano un carico non lineare.
Figura 1: Il fattore di potenza è 1 quando le forme d’onda della corrente e della tensione in ingresso sono in fase e sinusoidali. (Fonte: Infineon)
Dato che gli alimentatori odierni sono principalmente del tipo a commutazione, assorbono una forma d’onda non sinusoidale e questo comporta un angolo di sfasatura θ tra le forme d’onda della corrente e della tensione in ingresso. Quando la forma d’onda della corrente non segue quella della tensione (Figura 2), ne deriva, in base a Cosθ, un valore di PF inferiore a 1. Ad esempio, se θ = 45°, PF = Cos45 = 0,707. A prescindere dalle perdite di corrente, un valore di PF < 1 causa armoniche che viaggiano lungo la linea del neutro causando disturbi agli altri dispositivi connessi alla rete CA. A un valore più basso di PF, corrisponde un contenuto armonico più alto sulla rete CA e viceversa.
Figura 2: Il valore di PF è inferiore a 1 quando la forma d’onda della corrente non segue quella della tensione. (Fonte: Infineon)
Di conseguenza, le normative che limitano la distorsione armonica consentita sulla rete CA principale sono severe. Una normativa europea popolare è la EN61000-3-2, introdotta per limitare il ritorno di armoniche riflesse da apparecchiature elettroniche in rete. Si applica a tutti i sistemi elettronici di classe D, ad esempio i computer (compresi portatili e monitor) e i ricevitori radio e TV, che assorbono più di 75 W. La classe D è una delle quattro classi (A, B, C e D) in cui è suddiviso lo standard EN61000-3-2, che impone diversi limiti sulle correnti armoniche per ciascuna classe ed è ora uno standard internazionale.
Per rispettare i requisiti armonici delle normative come la EN61000-3-2 e mantenere prestazioni PF globalmente elevate, è necessario incorporare la correzione del fattore di potenza (PFC) nei moduli di conversione CA/CC front-end utilizzati negli sistemi elettronici che assorbono più di 75 W. L’implementazione del PFC consente di ottenere un valore di PF alto, riducendo le armoniche. Oggi giorno sono disponibili diverse tecniche passive e attive per numerose tipologie di alimentatori impiegate nei front-end CA.
PFC passivi
Il modo più semplice per controllare la corrente armonica consiste nell’utilizzo di un filtro passivo composto da un induttore e da un condensatore. Facendo passare la corrente solo alla frequenza della rete (ossia, 50 o 60 Hz), questo filtro LC riduce le armoniche, consentendo al dispositivo non lineare di apparire come un carico lineare, portando quindi il valore di PF vicino all’unità. L’inconveniente è che questo filtro richiede tuttavia un induttore di valore e corrente elevati e un condensatore ad alta tensione, che è voluminoso e costoso.
PFC attivi
Figura 3: La soluzione con PFC attivo utilizza un controller a semiconduttore, posizionato tra il raddrizzatore di ingresso e il condensatore di carica, seguito dal convertitore CC/CC. (Fonte: ON Semiconductor)
La soluzione con PFC attivo utilizza un chip controller a semiconduttore, posizionato tra il raddrizzatore di ingresso e il condensatore di carica, seguito dal convertitore CC/CC, come illustrato in Figura 3. Questo circuito modella la corrente in ingresso in modo che corrisponda alla forma d’onda della tensione d’ingresso, ottenendo un valore elevato per PF, generalmente superiore a 0,9. Fondamentalmente, sono disponibili tre tipi diversi di circuiti integrati per il controller PFC attivo. Questi comprendono il funzionamento in modalità critica (CrM), in modalità continua (CCM) e in modalità discontinua (DCM). Diversi tipi di questi circuiti integrati per il controller PFC attivo sono disponibili da numerosi fornitori, ognuno dei quali offre le sue versioni, unitamente alle motivazioni per cui utilizzarli.