پاور کامپیوتر زیر ذره‌بین: بررسی ساختار، اجزا و نحوه عملکرد

یکسوسازهای پل و تصحیح فعال ضریب قدرت (APFC)

یکسوسازهای پل

یک یا چند یکسوساز پل پس از عبور جریان AC از فیلتر EMI/گذرا، جریان متناوب را به صورت کامل یکسوسازی (تبدیل به جریان مستقیم) می‌کنند. در این فرآیند، AC به DC با ولتاژ افزایش‌یافته تبدیل می‌شود؛ به عنوان مثال اگر ورودی 230 ولت AC باشد، خروجی DC یکسوساز پل برابر خواهد بود با 2×230=325.27VDC√. سپس این سیگنال DC به ترانزیستورهای اثر میدان (FET) مرحله APFC اعمال می‌شود.

مبدل تصحیح فعال ضریب توان (Active Power Factor Correction – APFC)

قبل از توضیح درباره مرحله APFC، باید چند مفهوم پایه را یادآور شویم. ضریب توان (Power Factor) به نسبت توان واقعی (Real Power) به توان ظاهری (Apparent Power) تعریف می‌شود (واحدها: کیلووات بر کیلوولت‌آمپر، kW/kVA) و توان حاصل ضرب ولتاژ در جریان است (P = V x I).

انواع بارها به دو نوع اصلی بار مقاومتی (تنها مقاومت دارد) و بار راکتیو (شامل سلف، خازن یا هردو) تقسیم می‌شوند. در یک سیستم مرجع با بار خطی که با جریان AC تغذیه می‌شود، منحنی‌های جریان و ولتاژ هر دو سینوسی هستند.

اگر بار کاملاً مقاومتی باشد، جریان و ولتاژ هم‌زمان جهت‌شان تغییر می‌کند (زاویه فاز بین ولتاژ و جریان صفر درجه است)؛ در نتیجه در هر لحظه حاصل‌ضرب ولتاژ و جریان مثبت است و انرژی تنها در یک جهت منتقل می‌شود، به این معنی که تنها توان واقعی به بار انتقال می‌یابد.

اگر بار کاملاً راکتیو باشد، بین ولتاژ و جریان یک اختلاف زمانی وجود دارد (حداکثر نظری آن 90 درجه و معمولاً حدود 45 درجه است). در این حالت، حاصل‌ضرب ولتاژ و جریان در نیمی از هر سیکل مثبت و در نیم دیگر منفی است (وقتی ولتاژ به اوج مثبت یا منفی می‌رسد، جریان صفر است و بالعکس). بنابراین به طور میانگین به اندازه‌ای انرژی به بار منتقل می‌شود که به منبع باز می‌گردد و در کل سیکل انتقال خالص انرژی وجود ندارد و تنها انرژی راکتیو جریان دارد.

با این حال، این توضیح صرفاً نظری است، زیرا در دنیای واقعی تمام بارها شامل مقاومت، سلف و خازن هستند؛ پس هم توان واقعی و هم توان راکتیو مصرف می‌کنند. توان ظاهری برابر جمع برداری توان واقعی و راکتیو یا حاصلضرب مقدار مؤثر (RMS) ولتاژ و جریان است. ضریب توان نسبت توان واقعی به توان ظاهری است. همچنین لازم است بدانیم که مصرف‌کنندگان خانگی فقط بابت توان واقعی (وات) که مصرف می‌کنند هزینه پرداخت می‌کنند، اما مصرف‌کنندگان صنعتی باید برای توان ظاهری نیز هزینه کنند.

اگرچه مصرف‌کنندگان خانگی مجبور به پرداخت برای توان ظاهری نیستند، اما برای کاهش مصرف توان ظاهری، استاندارد اتحادیه اروپا EN61000-3-2 اعلام کرده است که همه منابع تغذیه سوئیچینگ با توان خروجی بالاتر از 75 وات باید دارای مبدل تصحیح ضریب توان غیرفعال (Passive PFC یا PPFC) باشند.

همچنین استاندارد 80 PLUS ضریب قدرت حداقل 0.9 را الزامی می‌داند. سال‌ها پیش بسیاری از تولیدکنندگان پاور از PFC غیرفعال استفاده می‌کردند که این روش دارای فیلتر است که جریان را به فرکانس خط (50 یا 60 هرتز) محدود می‌کند و هارمونیک‌ها را کاهش داده و بار غیرخطی را به بار خطی تبدیل می‌کند. سپس با استفاده از خازن یا سلف، ضریب توان به نزدیکی عدد یک می‌رسد. عیب PPFC این است که ضریب توان کمتری نسبت به APFC دارد و نیاز به دو برابر کننده ولتاژ برای سازگاری با ورودی 115/230 ولت دارد، اما راندمان آن بالاتر از APFC است.

APFC اساساً یک مبدل AC به DC است که جریان تأمین‌شده به پاور را از طریق مدولاسیون عرض پالس (PWM) کنترل می‌کند. ابتدا یکسوساز پل ولتاژ AC را یکسوسازی می‌کند و سپس مدار PWM ترانزیستورهای APFC (معمولاً دو عدد) را کنترل می‌کند که ولتاژ DC میانی را به دنباله‌ای از پالس‌های ثابت تبدیل می‌کنند.

این پالس‌ها توسط خازن‌های بزرگ صاف شده و به سوئیچ‌های اصلی تغذیه می‌شوند. درست پیش از این خازن‌ها، همیشه یک سلف (سیم‌پیچ) قرار دارد که توانایی محدود کردن افزایش ناگهانی جریان را بدون اتلاف انرژی دارد، زیرا این قطعه بار راکتیو است. این سلف ضروری است چون همه خازن‌های متصل مستقیم به سیگنال DC جریان هجومی ناخواسته و کنترل نشده نشان می‌دهند و این سلف به طور مؤثر آن را محدود می‌کند.

این سلف همچنین می‌تواند نقش ترانسفورماتور جریان را ایفا کند و جریان عبوری از مدار را به کنترلر APFC گزارش دهد. همچنین در اغلب موارد، در APFC یک ترمیستور برای محدود کردن بیشتر جریان هجومی، مخصوصاً در زمان روشن شدن پاور که خازن صاف‌کننده کاملاً شارژ نشده، وجود دارد.

در APFC دو نوع کنترل متفاوت حالت هدایت گسسته (Discontinuous Conduction Mode یا DCM) استفاده می‌شود که در آن ترانزیستورهای PFC فقط هنگامی روشن می‌شوند که جریان سلف به صفر رسیده باشد و حالت هدایت پیوسته (Continuous Conduction Mode یا CCM) که در آن ترانزیستورها در حالی روشن هستند که جریان سلف هنوز بالاتر از صفر است و بنابراین تمام انرژی برگشتی در ترانزیستورها تلف می‌شود.

در مرحله APFC اغلب پاورها از حالت CCM استفاده می‌شود، زیرا برای توان خروجی بالای 200 وات ایده‌آل است و کمترین نسبت جریان اوج به جریان متوسط را فراهم می‌کند. معایب اصلی CCM شامل اتلاف توان و تولید EMI هنگام خاموش کردن دیود بوست (diode boost) می‌شود. جریان‌های بازگشتی دیود منجر به اتلاف قابل توجه توان در ترانزیستورها و افزایش تولید EMI می‌شود؛ به همین دلیل معمولاً پس از یکسوساز پل، یک خازن X دیده می‌شود.