Die zunehmende Verbreitung elektronischer Lasten in Stromversorgungssystemen hat durch den typischerweise schlechten Leistungsfaktor der elektronischen Wandler zu Ineffizienzen geführt. Zu den Problemen zählen Verformungen der Spannungskurve, Überhitzung von Transformatoren und Nullleitern in Drei-Phasen-Systemen. 

Daher haben sowohl wirtschaftliche als auch Sicherheitsgesichtspunkte, zusammen mit neuen Bestimmungen zur Sicherung der Integrität von Stromversorgungssystemen, zu einer starken Nachfrage nach Leistungsfaktor-Korrektur-Strategien (PFC, power factor correction) geführt. 

Bei der Auswahl der Strategie zur Leistungsfaktor-Korrektur ist es wichtig zu beachten, dass der schlechte Leistungsfaktor bei elektronischen Lasten grundsätzlich verschieden ist von dem bei klassischen induktiven oder kapazitiven Lasten. Daher ist bei elektronischen Verbrauchern ein anderer Ansatz notwendig. 


Zwei Ursachen eines schlechten Leistungsfaktors 

In der einfachsten Form liegt ein schlechter Leistungsfaktor als großer Phasenwinkel bei induktiven oder kapazitiven Lasten vor, bei der der sinusförmige Strom der Spannung vor- oder nacheilt. (Abb. 1a) In diesem Fall ist eine Kompensation leicht möglich, in dem einer induktiven Last eine kapazitive, bzw. umgekehrt) parallel geschaltet wird (Abb. 1b).

^{Abbildung 1: Ungünstiger Phasenwinkel bei induktiver Last}

Bei elektronischen Lasten nimmt, verursacht durch die nichtlinearen Bauelemente, der Leistungsfaktor inakzeptable Werte an. In den meisten Netzteilen besteht die Gleichrichtungs-Eingangsstufe aus einem Brückengleichrichter mit einem nachgeschaltetem großen Kondensator (Abb. 2b). Bei dieser Schaltung leitet der Gleichrichter nur, und die Schaltung zieht somit Strom, wenn die Versorgungsspannung höher ist, als die Spannung des Kondensators (Abb. 2a). Da die Anstiegs- und Abfallgeschwindigkeit des Stroms größer ist, als jene der Versorgungsspannung und der Strom unstetig fließt, entsteht eine Reihe ungeradzahliger Oberschwingungen (Abb. 2c). Diese Oberschwingungen führen zu Problemen bei den Energieversorgern. 

Der Leistungsfaktor der in Abb. 2 gezeigten Schaltung kann durch Reihenschaltung einer Drossel oder durch Verringerung der Kondensator-Kapazität leicht verringert werden, da dadurch der Kommutierungswinkel vergrößert wird. Beide Lösungen begrenzen allerdings die Leistung, die der Leitung entnommen werden kann. 



^{Abbildung 2: Völlig anders als im klassischen Fall: Elektronische Lasten erzeugen ungeradzahlige Harmonische}


Aktive Leistungsfaktor-Korrektur

Es ist allgemein anerkannt, dass der effektivste Weg zur Leistungsfaktor-Korrektur von elektronischen Stromversor- gungen in einem aktiven Ansatz liegt. 

Im Betrieb einer solchen aktiven Leistungsfaktor-Korrektur-Schaltung (Abb. 3b) wird die Spannung zunächst mittels einer Vollbrücke gleichgerichtet, so dass eine Spannung wie in Abb. 3a-A entsteht. Da der Scheitelwert der Versorgungs- spannung geringer ist als die Zwischenkreisspannung, wird kein Strom in den Pufferkondensator fließen, es sei denn die Spannung wird mittels eines Hochsetzstellers über jene des Pufferkondensators erhöht. Diese Möglichkeit erlaubt es der Steuerung die Differenzspannung (boost voltage) so einzustellen, dass der Eingangsstrom sinusförmig und in Phase ist. 

Die Steuerung verwendet zur Erreichung dieser Stromkurve den Spannungsverlauf der Versorgungsspannung. Die Ansteuerung misst den Eingangsstrom und vergleicht ihn mit der normierten Eingangsspannung. Daraus regelt sie die Differenzspannung so, dass die Stromkurve normiert gleich der Spannungskurve ist (Abb. 3a-I). Gleichzeitig überwacht die Steuerung die Zwischenkreisspannung und regelt die Differenzspannung so, dass eine konstante Ausgangs- gleichspannung entsteht. (Abb. 3a-B). Da die Hauptaufgabe der Steuerung darin besteht einen Sinusförmigen Eingangsstrom zu erzeugen, darf die Ausgangsspannung leicht schwanken. 

Es ist wichtig im Hinterkopf zu behalten, dass eine gut ausgelegte Leistungsfaktor-Korrektur auch Leitungsstörungen weitergibt. Daher ist es wichtig Funktionstests von Leistungsfaktor-Korrektur-Schaltungen mit störarmen Spannungs- quellen durchzuführen. Die Verwendung einer aktiven Leistungsfaktor-Korrektur vermindert die Unstetigkeiten im Stromverlauf stark und reduziert damit Störungen und Strom-Oberschwingungen auf der Eingangsleitung. 



^{Abbildung 3: Zur Blindleistungskompensation dient ein aktiver Ansatz mittels Hochsetzsteller, der einen sinusförmigen in Phase liegt}