Mittelwertstrombegrenzung bei Halbbrückenwandlern Drift wirksam austariert

Halbbrückenwandler sind weit verbreitet, denn sie erreichen einen hohen Wirkungsgrad bei Leistungen bis zu 500 W. Allerdings kann es bei einer länger andauernden Überlast infolge der üblicherweise verwendeten zyklusweisen Strombegrenzung dazu kommen, dass sich der Spannungsmittenpunkt des kapazitiven Spannungsteilers in Richtung Eingangsspannung oder Masse verschiebt. Dadurch kann der Leistungsübertrager in Sättigung kommen. MOSFETs und Eingangskondensatoren müssten somit mindestens für die volle Eingangsspannung dimensioniert werden – aus Performanceund Kostengründen untragbar.

Als Abhilfe empfiehlt sich die Mittelwertstrombegrenzung, die den Mittenpunkt des kapazitiven Spannungsteilers austariert und ein Driften bei Überlast verhindert. Darüber hinaus bleibt bei diesem Verfahren die Feed-Forward-Voltage-Mode-Regelung, die bei Halbbrückenschaltungen in der Regel angewandt wird, unbeeinflusst. Außerdem bleiben die Eigenschaften einer standardmäßigen Strombegrenzung erhalten – die zyklusweise Schutzwirkung ebenso wie die kurze Ansprechzeit bei Überlastung und die Restart-Funktion nach dem Hiccup-Prinzip.

 

Bild 1 gibt den prinzipiellen Aufbau der Halbbrückentopologie wieder. Die Eingangskondensatoren C1 und C2, die zusammen eine Hälfte der Brückenschaltung bilden, sind in Reihe geschaltet, sodass an ihrem Mittenpunkt genau die halbe Eingangsspannung liegen sollte. Der andere Brückenzweig besteht aus den Schaltern Q1 und Q2. Beide werden abwechselnd mit einer Pulsweite eingeschaltet, die sich nach der Eingangsspannung, der Ausgangsspannung und dem Windungsverhältnis des Übertragers richtet. Im eingeschalteten Zustand legt jeder der beiden Schalter die halbe Eingangsspannung an die Primärwicklung des Übertragers. Die resultierende Sekundärspannung wird mit einem LC-Filter geglättet, um eine konstante Ausgangsspannung zu erhalten. Üblicherweise arbeiten Halbbrückenwandler im Voltage-Modus. Genau wie die anderen Double-Ended-Topologien (z.B. Push-Pull- oder Vollbrückenwandler) ist diese Schaltung empfindlich gegenüber Sättigungen des Übertragerkerns. Nutzt man die Spitzenstromregelung an einer gleichbleibenden Last, beendet das Controller-IC die PWM-Zyklen stets bei demselben Spitzenstrom. Liegt am Übertrager in einer Phase eine andere Spannung als in den anderen, variiert der PWMRegler das On-Intervall von der Spitzenstromregelung so, dass das On-Intervall wieder bei derselben Spitzenstromstärke endet. Auf diese Weise symmetriert diese Technik das Spannungs-Zeit-Produkt in beiden Phasen, um in Push-Pull- und Vollbrückentopologien eine Kernsättigung zu vermeiden.