Effizienter, einfacher, robuster Neue PFC-Regelstrategie ohne Stromsensor

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Ohne Stromsensor, aber mit nahezu perfektem Leistungsfaktor: Forscher der Chonnam National University zeigen, wie sich PFC-Schaltungen radikal vereinfachen lassen.

Forscher der Chonnam National University haben eine neuartige Regelungsmethode für einphasige Boost-Leistungsfaktorkorrekturen (Power Factor Correction, PFC) vorgestellt, die vollständig ohne Stromsensor auskommt. Der Ansatz senkt Kosten und Schaltungsaufwand, reduziert Störanfälligkeit und erreicht dennoch eine sehr hohe Leistungsqualität.

Warum PFC neu denken?

PFC-Schaltungen sind der Standard in AC/DC-Frontends von Laptop-Netzteilen, LED-Treibern oder Schnellladegeräten. Klassische Konzepte benötigen Stromsensoren, die zwar präzise messen, aber auch Nachteile mitbringen. So entsteht zusätzliches Rauschen, Verzögerungen durch Signalverarbeitung, mehr Bauteile und potenzielle Ausfallstellen. All das kann Effizienz und Zuverlässigkeit beeinträchtigen.

Der Kern der Innovation

Das Team um Sung-Jun Park, Professor für Elektrotechnik, entwickelte eine sensorlose Ein-Spannungs-Schleifenregelung. Grundlage ist eine neu hergeleitete Tastgradgleichung, die sich ausschließlich auf Spannungsmessungen stützt. Sie kombiniert einen Feedforward-Anteil mit einem Regelanteil, abgeleitet aus der fundamentalen Induktorspannungsgleichung.

Ein entscheidendes Detail ist die integrierte Verzögerungskompensation: Digitale Regler leiden oft unter Phasenverzögerungen durch Abtastung und Verarbeitung, was den Eingangsstrom verzerren kann. Die neue Methode gleicht diesen Effekt gezielt aus und hält den Strom nahezu sinusförmig.

„Wir adressieren ein typisches Problem digitaler Leistungselektronik – die Phasenverzögerung – direkt im Regelgesetz. Die Kompensation ist ein Hauptgrund für die sehr hohe Stromqualität“, erklärt Prof. Park.

Ergebnisse aus der Praxis

Validiert wurde das Konzept an einem 1,3-kW-Prototyp, einer Leistungsklasse mit hoher Relevanz für Konsum- und Industriegeräte. Die Messergebnisse sind bemerkenswert. Ein Leistungsfaktor bis 0,9998, ein Gesamtklirrfaktor (THD) von 2,12 % bei Volllast und eine stabile Performance über einen weiten Lastbereich. Damit erreicht der sensorlose Ansatz mindestens die Qualität klassischer, stromsensorbasierter Regelungen, bei geringerer Komplexität.

Für Hersteller gitb es viele Vorteile. Die Lösung verzichtet auf Beobachtermodelle und komplexe mathematische Schätzverfahren. Das bringt gleichzeitig mehrere praktische Vorteile:

• weniger Bauteile, kleinere Bauform

• geringere Kosten und höhere Zuverlässigkeit

• unempfindlicher gegenüber Bauteiltoleranzen

• einfache Integration auf gängigen Digital-Signal-Prozessoren (DSPs)

Für die Serienfertigung bedeutet das, dass keine zusätzlichen Sensoren und kein aufwendiges Redesign notwendig ist. Eine schnellere Umsetzung in bestehenden Produktionslinien ist somit möglich.

Relevanz und Ausblick

Die Forscher sehen frühe Einsatzfelder bei Notebook-Netzteilen, Smartphone-Schnellladern, Monitor- und TV-Netzteilen, Server-PSUs sowie Elektrowerkzeugen. Langfristig könnte die breite Einführung nicht nur Geräte kleiner, leichter und günstiger machen, sondern auch die Netzqualität verbessern – durch sauberen Strom mit hohem Leistungsfaktor und niedriger Oberschwingungsbelastung.

Die Arbeit wurde am 30. September 2025 unter IEEE Transactions on Consumer Electronics veröffentlicht. (mr)

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