Halbbrücken-Durchflusswandler in ATX-Netzteilen Die richtige Bauteil-Auswahl machts

Halbbrücken-Durchflusswandler gelten als sehr zuverlässig. Deswegen und aufgrund noch weiterer positiver Eigenschaften ist diese Topologie bei vielen Entwicklern beliebt. Wie arbeitet ein solcher Wandler, und worauf müssen Entwickler bei der Auswahl der Bauteile achten?

von Sanjay Havanur, Senior Manager für Systemanwendungen, und Philip Zuk, Director of Market Development für Hochspannungs-MOSFETs, beide bei Vishay Intertechnology.

Häufig kommen Halbbrücken-Durchflusswandler in ATX-Netzteilen mit Ausgangsleistungen von 150 W bis 750 W zum Einsatz und halten auch mit sanft schaltenden LLC-Topologien mit. Bei einem Halbbrücken-Durchflusswandler handelt es sich also um eine hart schaltende Topologie, die nicht im ZVS-Betrieb (Zero Voltage Switching) arbeiten kann. Aber gerade aus diesem Grund bietet sie den Vorteil, dass die parasitäre Body-Diode des MOSFETs nicht leitet. Die Eingangsspannung der in diesem Leistungsbereich verwendeten MOSFETs ist die Ausgangsspannung einer vorgeschalteten PFC-Stufe (Power Factor Correction) und beträgt in der Regel 380 V bis 400 V. Beim Abschalten der MOSFETs kann eine zusätzliche Spitze durch die Streuinduktivität entstehen, obwohl dies durch die schnellen Schaltdioden begrenzt wird.

Bild 1a und Bild 1b zeigt die grundlegende Funktionsweise: Im linken Teilbild leiten die Transistoren Q1 und Q2 und Energie wird von der Primär- zur Sekundärseite des Transformators übertragen. Auf der Sekundärseite fließt durch die Diode die Energie zum Ausgangsfilter und zum Verbraucher. Werden die Transistoren Q1 und Q2 ausgeschaltet (rechtes Teilbild), fließt der Magnetisierungsstrom des Transformators jetzt durch die Dioden D1 und D2 zurück zur Quelle. Die Dioden leiten, bis die ganze Magnetisierungsenergie sowie die in den Streuinduktivitäten gespeicherte Energie der Primärseite in den Zwischenkreiskondensator Cin zurückgeflossen ist. Da D1 und D2 die Zwischenkreisspannung begrenzen, ist keine Schutz vor Überspannungen erforderlich. Überspannungen über die Eingangsspannung hinaus muss man durch ein entsprechendes Schaltungslayout begrenzen, um vor allem Streuinduktivitäten zu minimieren. Auf der Sekundärseite überträgt die Freilaufdiode die Energie der Ausgangsspule zum Verbraucher.

Während die Primärseite keinen Strom liefert, wird im eingeschalteten Zustand eine geeignete Rücksetzzeit des Transformators erreicht, sobald die Einschaltdauer geringer ist als die Ausschaltdauer (Einschaltdauer weniger als 50 Prozent). Mit anderen Worten: Die Primärwicklung wirkt selbst als Rücksetzwicklung. Wenn die Ausschaltdauer länger als die Einschaltdauer ist, wird der Transformator immer zurückgesetzt.