Schaltungspraxis - Spannungswandler Aufwärtswandler mit großem Übersetzungsverhältnis

Eine Schwierigkeit bei der Entwicklung von Aufwärtswandlern ergibt sich aus dem hohen Strom, der in den Leistungs-Transistoren geschaltet werden muss. Wer ein paar Punkte beachtet, kommt aber dennoch schnell und unkompliziert zu einem funktionierenden Wandler.

Die in Bild 1 dargestellte, vereinfachte Schaltung eines Sperrwandlers ist typisch für Aufwärtswandler, bei denen keine galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang erfolgt. Ein- und Ausgang haben also eine gemeinsame Masse. Kennzeichen der auch Hochsetzsteller genannten DC/DC-Wandlerbauart ist, dass die Ausgangsspannung stets höher als die Eingangsspannung ist.

Der Eingangsstrom eines Aufwärtswandlers hat nur einen geringen Wechselstromanteil. Für den Ausgangsstrom gilt dies allerdings nicht, denn der diskontinuierliche Ausgangsstrom weist eine hohe Welligkeit auf. Damit die Ausgangskondensatoren hierdurch nicht übermäßig belastet werden, wird empfohlen, die maximale Welligkeit des Ausgangsstroms und die Aufteilung des Stroms auf die Ausgangskondensatoren rechnerisch zu ermitteln. Anders als bei einem Abwärtswandler ist der Mittelwert des Stroms in der Induktivität hier nicht gleich dem Ausgangsstrom, da die Induktivität nur während des Aus-Zustands (von T2) einen Strom an den Ausgang abgibt.

Die ungünstigsten Bedingungen liegen beim höchsten Übersetzungsverhältnis bzw. bei der kleinsten Eingangsspannung vor. In diesem Fall sind der Effektivwert (quadratischer Mittelwert) und der Scheitelwert des Stroms in der Induktivität am höchsten.

Unter Vernachlässigung der Verluste, ist der Scheitelwert des Stroms in der Induktivität L gleich dem Scheitelwert des Stroms im unteren Leistungs-MOSFET (T2) sowie gleich dem Scheitelwert des Stroms im oberen Leistungs-MOSFET (T1), wenn T2 ausgeschaltet ist. Somit erreichen die Ströme in den Leistungs-MOSFETs bei der minimalen Eingangsspannung ihre Höchstwerte. Es kann vorteilhaft sein, in einem Aufwärtswandler mit großem Übersetzungsverhältnis zwei untere Leistungs-MOSFETs (T2) parallelzuschalten, da hier bei großen Tastverhältnissen hohe Verluste anfallen können.

Kompensation des Regelkreises

Das Ansprechverhalten des offenen Regelkreises ist das Produkt aus den Übertragungsfunktionen der Rückkopplung, der Leistungsstufe und der Modulatorverstärkung. Die aus der Induktivität L und dem Ausgangskondensator CA bestehende Leistungsstufe muss kompensiert werden. Diese Schaltung zweiter Ordnung wird zu einem System erster Ordnung, wenn der Regler spitzenstromgeführt arbeitet, denn die Induktivität L verhält sich in diesem Fall wie eine Stromquelle, sodass die Übertragungsfunktion des Ausgangsfilters unabhängig vom Induktivitätswert wird. Hierdurch vereinfacht sich die Kompensation, weil nur der Ausgangskondensator und der effektive Lastwiderstand als Ausgangsfilter verbleiben. Gleichzeitig reicht ein Kompensationsnetzwerk des Typs II aus, um eine stabile Regelung mit ausreichend Phasen- und Amplitudenreserve zu erhalten. Zu beachten ist jedoch ein anderer wichtiger Aspekt, nämlich die Nullstelle in der rechten Halbebene (RHE). Diese Nullstelle ist in den Übertragungsfunktionen all jener Wandlerschaltungen vorhanden, die als Sperrwandler während des Aus-Intervalls des unteren Leistungs-MOSFETs Energie an den Ausgang abgeben und im nicht-lückenden Betrieb (Continuous Conduction Mode – CCM) arbeiten. Diese Nullstelle lässt sich nicht kompensieren und begrenzt daher die maximal erzielbare Bandbreite. Die Verstärkung (v) eines Kompensationsnetzwerks vom Typ II

 

v space equals R subscript K o m p end subscript over R subscript R K 2 end subscript (1)

muss so gering gewählt werden, dass die Bandbreite deutlich geringer ist als ein Fünftel der Frequenz der Nullstelle fZRHE.

f subscript Z R H E end subscript equals fraction numerator R subscript L cross times left parenthesis 1 minus T V right parenthesis squared over denominator 2 cross times straight pi cross times straight L end fraction (2)

 

Stromanstiegskompensation

Die spitzenstromgeführte Regelung ermöglicht eine einfachere Kompensation, bringt aber das bekannte Problem mit sich, dass die Schaltung ins Schwingen geraten kann, wenn sich das Tastverhältnis 50 % annähert oder größer ist. Da der Spulenstrom bei fehlender Dämpfung oszillieren kann, wird eine Stromanstiegskompensation benötigt. Die Dämpfung lässt sich einfach erreichen, indem das Strommesssignal mit einem rampenförmigen Signal kompensiert wird. Diese Spannungsrampe muss einerseits genügend hoch sein, um die Schaltung hinreichend zu bedämpfen. Andererseits aber ist eine zu hohe Rampe nachteilig, da sie das Spitzenstromsignal überdeckt. Die Stromregelschleife wird hierdurch ineffektiv, sodass die Regelschaltung in eine spannungsgeführte Regelung zweiter Ordnung wechselt. Ein solches System zweiter Ordnung aber benötigt ein Kompensationsnetzwerk vom Typ III, um die 180 ° betragende Phasenverschiebung der Leistungsstufe mit ihren zwei Polstellen zu berücksichtigen. Eine übermäßige Stromanstiegskompensation kann zur Instabilität führen, eine zu geringe Stromanstiegskompensation dagegen äußert sich durch Jitter im Schalten, messbar am Verbindungsknoten der beiden Leistungs-MOSFETs mit der Induktivität L, weil sich in diesem Fall niedrige und hohe Tastverhältnisse ständig abwechseln.