Klein und effizient

Der Wirkungsgrad von DC/DC-Wandlern lässt sich noch weiter steigern, wenn es gelingt, die Durchlass- und Schaltverluste in den Halbleiterschaltern (Transistoren und Dioden) sowie die Kern- und Kupferverluste in den Induktivitäten (Drosseln und Transformatoren) zu verringern. Mit dementsprechend optimierten Schaltungskonzepten lassen sich äußerst kompakte DC/DC-Wandler mit einem Wirkungsgrad > 95 Prozent herstellen.

Der Wirkungsgrad von DC/DC-Wandlern lässt sich noch weiter steigern, wenn es gelingt, die Durchlass- und Schaltverluste in den Halbleiterschaltern (Transistoren und Dioden) sowie die Kern- und Kupferverluste in den Induktivitäten (Drosseln und Transformatoren) zu verringern. Mit dementsprechend optimierten Schaltungskonzepten lassen sich äußerst kompakte DC/DC-Wandler mit einem Wirkungsgrad > 95 Prozent herstellen.

Die Grundversion der neuen DC/DC-Wandlerserie ETG von ETA-Electric Industry Co. Ltd (www.etapower.com) enthält zwei primärseitige MOSFET-Schalter (T1, T2), zwei sekundärseitige Dioden (D1, D2), einen gemeinsamen Ferritkern mit den Wicklungen der Eingangsdrossel L1, der Ausgangsdrossel L2 und dem Transformator Tr sowie die Kondensatoren Cp, Ca und C2 (Bild 1). Die zwei primärseitigen MOSFET-Schalter werden in komplementärer Weise gesteuert, d.h., wenn der Hauptschalter T1 leitet, ist der Hilfsschalter T2 gesperrt und umgekehrt. Das Tastverhältnis des Hauptschalters T1 ist definiert als TV und dasjenige des Hilfsschalters T2 ist TV’ = 1 – TV.

Die Diode D1 arbeitet synchron mit dem Hauptschalter T1, während D2 synchron mit dem Hilfsschalter T2 schaltet. Die Stromflussphasen der beiden Dioden sind somit genau umgekehrt zu den Stromflussphasen der Dioden in einem herkömmlichen Durchflusswandler mit aktiver Klemmung. Durch diese Diodenschaltung kann der DC-Magnetfluss im gemeinsamen Ferritkern für alle Betriebsbedingungen beseitigt oder erheblich verringert werden. Genauer gesagt ist die Summe der DC-Magnetflüsse, die durch die Ströme in den Wicklungen der Drossel L1 und des Transformators Tr verursacht werden, gleich dem DC-Fluss, der durch den Strom in der Wicklung der Drossel L2 hervorgerufen wird. Im gemeinsamen Ferritkern wirken diese zwei DC-Magnetflüsse entgegengesetzt, so dass die Luftspaltgröße, die eine Sättigung des Kernes verhindert, erheblich verkleinert werden kann. Daraus resultiert eine viel kompaktere Bauart des Kerns, und die Induktivitäten haben geringere Verluste als konventionelle Spulenbauarten.

Die ETG-DC/DC-Wandler erzeugen ihre Ausgangsspannung mit der gleichen DC-Übertragungs-Charakteristik wie der Abwärtswandler U2 = TV x UE – vorausgesetzt, das Übersetzungsverhältnis des Transformators Tr ist 1:1. Vor vielen Jahren fand man heraus, dass alle Induktivitäten – Eingangsdrossel, Transformator und Ausgangsdrossel – auf einen gemeinsamen Kern gesetzt werden können, sofern sie identische AC-Spannungsverläufe für alle möglichen Werte des Tastverhältnisses TV haben. Bis heute führten diese Konstruktionen – falls anwendbar – immer zu einer Summierung der DC-Magnetflüsse der einzelnen Wicklungen in die gleiche Richtung, was eine Vergrößerung des Luftspaltes erforderte. Im ETG ermöglicht die Zusammenfassung der Induktivitäten auf einen Kern zum ersten Mal eine wesentliche Reduktion des Luftspaltes oder es kann sogar komplett auf einen Luftspalt verzichtet werden.

Die einfachste Methode, die beiden Transistoren T1 und T2 anzusteuern, ist, sie ohne Totzeit gegenphasig anzusteuern – die so genannte „hart schaltende“ Betriebsart, die zu hohen Schaltverlusten führt. Eine gewisse Verringerung der Schaltverluste ermöglicht das „weich schaltende“ Verfahren in den DC/DC-Wandlern ETG (Bild 2). Die beiden Schalttransistoren T1, T2 werden so angesteuert, dass es pro Schaltperiode zwei Totzeiten für die Schaltübergänge gibt, in der beide Transistoren gleichzeitig ausgeschaltet sind. Während dieser Totzeiten wird die in den parasitären Kapazitäten der Schalttransistoren gespeicherte Energie teilweise zurückgewonnen, die Schaltverluste werden damit verringert. Am stärksten lassen sich die Schaltverluste jedoch nur reduzieren, wenn verlustlos geschaltet wird. Dabei wird die Diode D1 durch einen Transistorschalter T3 ersetzt. T3 wird während des zweiten Schaltüberganges angesteuert und sorgt so für die vollständige Beseitigung der Schaltverluste der primärseitigen Schalttransistoren.

Der Vergleich in Bild 3 zeigt, dass in der „weich schaltenden“ Betriebsart die Spannung des Transistorschalters T1 vor dem Einschalten nur teilweise absinkt (rote Kurve), während sie im neuen verlustlosen Schaltverfahren bis auf Null reduziert wird (blaue Kurve), wodurch die Schaltverluste komplett beseitigt sind. Die ETG-DC/DC-Wandler erreichen damit einen Wirkungsgrad von 95 Prozent. Damit ist es möglich, sie ohne zusätzliche Kühlung beispielsweise durch Ventilatoren oder Kühlkörper zu betreiben.

Der in Bild 4 gezeigte Wirkungsgradverlauf wurde bei Volllast und für den ganzen Eingangsspannungbereich von 200 V bis 380 V gemessen. Der Wirkungsgrad bleibt praktisch über den gesamten Eingangsspannungsbereich konstant hoch.