24-V-Stromversorgung LLC-Resonanzwandler für den Schaltschrank

Hoher Wirkungsgrad und wenige Bauteilen: Das sind die Vorteile des LLC-Resonanzwandlers. Aber für eine industriegerechte Ausführung muss der ganze Werkzeugkasten der Elektronik-Entwicklung herangezogen werden: elektronischer und magnetischer Schaltungsentwurf, thermische Auslegung und Leiterplatten-Design.

Die Vorteile des LLC-Resonanzwandlers für den Aufbau einer Stromversorgung liegen auf der Hand: Die Grundschaltung kann mit wenigen Bauelementen aufgebaut werden und ist bei geeigneter Auslegung zudem dauerkurzschlussfest. Aber mit einem herkömmlich aufgebauten Resonanzwandler können nicht für alle erdenklichen Betriebszustände eines von einem Schaltschrank auf gesteuerten, industriellen Steuerungssystems sicher beherrscht werden. Die Entwickler des Stromversorgungsspezialisten Puls hatten 2005 ihren Wandler daher noch mit einer Vorstufe ausgestattet, für die einen zusätzliche Drosselspule erforderlich war.

Puls hat nun mit der Stromversorgung CPS20 ein Gerät für den Einsatz im Schaltschrank mit Hutschienenaufnahme nach dem LLC-Resonanzwandlerprinzip vorgestellt, das ohne Vorstufe auskommt. Das Gerät liefert bei 24 V einen Strom von 20 A, die Leistungsdichte beträgt 470 W/dm³, gegenüber dem Modell SL20 aus dem Jahr 1997 eine Steigerung um den Faktor 2,7.

Das zentrale Bauelement des neuen 24-V-Netzteils ist der Transformator (Bild). Bei diesem sind die Spulenkörper von Primär- und Sekundärspule sind in einem vergleichsweise großen Abstand auf dem mittleren Joch des Ferritkerns angebracht. Das führt zu einer hohen Spannungsfestigkeit des Trafos und einen hohen Streuinduktivität Ls, die im Ersatzschaltbild in Reihe mit der Primärspule aufgefasst werden kann. Ls bildet zusammen mit dem ebenfalls in Reihe geschalteten Kondensator Cr einen Serienresonanzkreis; der Primärkreis wird mit einem Rechtecksignal angesteuert, dessen Frequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises liegt. Die an der Sekundärspule anliegende hochfrequente Wechselspannung wird zur Verbesserung des Wirkungsgrads mittels MOSFETs gleichgerichtet und durch große Elektrolytkondensatoren geglättet. Für die Regelung der Ausgangsspannung, deren Höhe über einen Optokoppler über die Isolationsstrecke zu der Ansteuerschaltung übermittelt wird, wird die Frequenz des Oszillators gegenüber der Resonanzfrequenz des Schwingkreises verschoben.

Thermisches Design

Die Elektrolytkondensatoren wie auch der für die Rückführung des Ausgangssignals verwendete Optokoppler sind die Bauteile, deren Lebensdauer mit steigender Umgebungstemperatur am stärksten abnimmt. Die naheliegenden Überlegung: Die kritischen Bauelemente müssen am kältesten Punkt des Geräts platziert werden. Das ist bei einem Gerät für die Hutschienenmontage im Schaltschrank die Unterseite.

Die Ingenieure von Puls haben nun versucht, den effizienteren der beiden Wärmeübertragungsmechanismen, die Konvektion, für ihre Zwecke zu nutzen, ohne einen Ventilator zu verwenden. Die Platzierung der Bauelemente wurde daher nicht nach der optimalen elektrischen Verbindung (kürzeste Leitungslängen), sondern nach den Vorgaben einer thermischen Konzeption. Der Preis für diese Gestaltungsfreiheit bei der Platzierung der Bauelemente war die Einführung einer vierlagigen Leiterplatte. Bei der gewählten Konfiguration strömt die Luft von unten in das Gerät ein und nimmt ihren Weg über zwei "Hauptkanäle" links und rechts von den beiden induktiven Bauelementen (Bild). Die Temperaturdifferenz zwischen der Einströmung (unten) und dem Auslass (oben) beträgt bei Volllast 20 °C und mehr.

Sicherheit in der Elektrik

Für die Versorgung von Verbrauchern mit schwierigem Startverhalten -- etwa Elektromotoren -- haben die Entwickler von Puls auf das bekannte "Hiccup"-Verfahren (Schluckauf) modifiziert. Bei dem Puls-Verfahren liefert das Netzgerät bei einem Kurzschluss bzw. einer Überlastung einen Impuls von 2 s Dauer in der Höhe des zweifachen Nennstroms. Dies reicht aus, um Geräte mit einem schwierigen Anlaufverhalten wie Elektromotoren zu starten, darüber hinaus steht genügend Strom für das Auslösen von Sicherungen zur Verfügung, um fehlerhafte Stromkreise abzutrennen. Das Hiccupplus genannte Verhalten setzt erst nach einem Einbruch der Ausgangsspannung um mehr als 40 Prozent ein. Damit wird ein ungewolltes Abschalten etwa beim Laden von Batterien vermieden.