Schaltungspraxis – LED-Treiber PFC-Sperrwandler versorgt LEDs

Referenzdesign für einen PFC-Sperrwandler als LED-Stromversorgung
Referenzdesign für einen PFC-Sperrwandler als LED-Stromversorgung

Statt zwei DC/DC-Wandler in einem LED-Vorschaltgerät einzusetzen – einer für die Leistungsfaktorkorrektur und einer für die Konstantstromregelung – lassen sich beide Funktionen auch in einer Wandlerstufe kombinieren.

Für die aktive Leistungsfaktorkorrektur (Power Factor Correction – PFC) stehen mehrere Wandlerschaltungen zur Verfügung. Die größte Popularität haben Abwärts-, Aufwärts- und Sperrwandlerschaltungen, von denen der Aufwärtswandler in PFC-Stufen im Bereich mittlerer bis hoher Leistung bei weitem die größte Verbreitung hat. Was die Höhe des Leistungsfaktors betrifft, handelt es sich hier um die effektivste Schaltung, jedoch muss die Ausgangsspannung stets höher als die maximale Eingangsspannung sein. Bei einem universellen Netzteil ist das Anheben der Ausgangsspannung der PFC-Stufe auf 400 V(DC) die Regel. Abwärtswandler werden in PFC-Stufen häufig verwendet, wenn die Ausgangsleistung kleiner als 100 W ist. Die Ausgangsspannung muss hier kleiner als die minimale Eingangsspannung sein.
Nachteilig an beiden Schaltungen ist, dass sie im Gegensatz zu einem Sperrwandler keine galvanische Isolation zwischen Ein- und Ausgang bieten. Der Sperrwandler dagegen ermöglicht eine galvanische Trennung in nur einer Stufe und eine Ausgangsspannung die größer oder kleiner als die Eingangsspannung sein kann. Dies macht diesen Wandlertyp besonders für den Einsatz als LED-Treiber geeignet.

Hat der Entwickler einen Wandlertyp gewählt, sollte er sich als nächstes über das Modulationsverfahren zur Regelung Gedanken machen. Der Betrieb an der Lückgrenze (Transition Mode) oder der lückende bzw. diskontinuierliche Betrieb (Discontinuous Conduction Mode – DCM) bietet das Schalten im Stromnulldurchgang (Zero Current Switching – ZCS) zusammen mit dem Schalten beim Spannungsminimum (Valley Voltage Switching), allerdings mit den Nachteilen hoher Spitzenströme und einer variablen Schaltfrequenz. Bei höheren Ausgangsleistungen wird der nichtlückende oder kontinuierliche Betrieb (Continuous Conduction Mode – CCM) empfohlen, der für niedrigere Spitzenströme sorgt. Wegen der hohen Sperrverzögerungsverluste wird hier jedoch eine teure SiC-Diode benötigt. Bei hohen Ausgangsleistungen kann ein Gegentakt-PFC-Wandler interessant sein. Durch den um 180 ° phasenversetzten Betrieb zweier PFC-Stufen verringert sich die Stromwelligkeit am Ein- und Ausgang gravierend.

Sperrwandler-PFC-Stufe als LED-Treiber

Wenn sehr geringe Materialkosten und ein hoher Wirkungsgrad auf der Anforderungsliste stehen, ist ein einstufiger Sperrwandler als PFC-Stufe und DC/DC-Wandler eine gute Wahl. Durch den Betrieb an der Lückgrenze lassen sich die Einschaltverluste des Leistungs-MOSFETs signifikant reduzieren. Nach der Entmagnetisierung des Übertragerkerns kommt es zu einem resonanzbedingten Schwingen am Drain-Anschluss des Leistungs-MOSFETs, das von der Primärinduktivität und der parasitären Kapazität hervorgerufen wird. Der Controller-IC überwacht die Spannung am Drain-Anschluss des Leistungs-MOSFETs und schaltet unmittelbar im Spannungsminimum. Durch das Schalten im Stromnulldurchgang, werden die Schaltverluste des Leistungs-MOSFETs und die Sperrverzögerungsverluste des sekundärseitigen Gleichrichters reduziert. Eine an der Lückgrenze betriebene Gegentakt-PFC-Stufe würde die Stromwelligkeit am Ein- und Ausgang reduzieren, so dass in diesem Fall Eingangsfilter und Ausgangskondensator kleiner gewählt werden können.

Die Prinzipschaltung des Sperrwandlers, der als PFC-Stufe LEDs versorgt gliedert sich, wie in Bild 1 zu sehen ist, in vier Blöcke, nämlich das Eingangsfilter, die Leistungsstufe, den Regler und die Kompensationsschaltung. Nachfolgend einige praktische Hinweise zu diesen Schaltungsblöcken und den wichtigsten Komponenten.