Aufwärtswandler mit hohen Ausgangsspannungen: Topologien für hohe Übersetzungsverhältnisse und Leistungen

Spannungswandler für hohe Ausgangsspannungen und Leistungen
Spannungswandler für hohe Ausgangsspannungen und Leistungen

Zunehmend werden in batteriebetriebenen Geräten, in denen naturgemäß nur vergleichsweise niedrige Primärspannungen zur Verfügung stehen, hohe Spannungen benötigt. Dazu sind sogenannte Hochsetzsteller oder DC/DC-Aufwärtswandler erforderlich, deren Ausgangsspannung ein Vielfaches der Eingangsspannung beträgt.

Eine besondere Anforderung stellt dabei etwa die Erzeugung einer Spannung von 70 V mit einem Übersetzungsverhältnis von 10:1 und mehr. Diese Anforderung lässt sich mit verschiedenen Topologien erfüllen (Bild 1): einfacher Aufwärtswandler, um Ladungspumpen erweiterter Aufwärtswandler und Aufwärtswandler mit Anzapfung an der Arbeitsspule [1]. Jede dieser Topologien hat natürlich ihre Vorteile, aber wenn es darum geht, bei großen Übersetzungen auch große Leistungen bereitzustellen, sind diese drei Varianten weniger geeignet.

So wird in dem einfachen Aufwärtswandler (Bild 1a) der MOSFET Q1 durch hohe Spannungen und Ströme einer hohen Belastung ausgesetzt; das Resultat sind hohe Schalt- und Leitungsverluste. Die hohe Spannung am Gleichrichter macht auch die Verwendung von Schottky-Dioden unmöglich, die weniger Verluste produzieren als die herkömmlichen Silizium-Dioden. Im Aufwärtswandler mit Ladungspumpen (Bild 1b) wiederum werden für jede Multiplizierstufe zwei in Serie geschaltete Dioden benötigt, deren Spannungsabfall im leitenden Zustand deutlich zu den Verlusten beiträgt. Darüber hinaus werden für die Ladungspumpen große Kondensatoren benötigt; nur so lassen sich hohe Spitzenströme vermeiden und deutliche Spannungseinbrüche im Arbeitszyklus vermeiden. Hohe Spitzenströme erhöhen auch den Mittelwert des Stroms durch den MOSFET-Schalter, wodurch die Impulsform der Stromregelung ungünstig beeinflusst wird. Beim Spannungswandler mit angezapfter Arbeitsspule (Bild 1c) wird der Ausganggleichrichter durch die hohe Spannung belastet, zudem ist die Schaltung anfällig gegen Streuinduktivitäten der Arbeitsspule bzw. des Transformators. Diese Streuinduktivitäten sind die Ursache für Spannungsspitzen und Überschwinger, was den Störpegel anhebt und zu einer zusätzlichen Belastung sowohl des MOSFET als auch des Ausgangsgleichrichters führt. Die Unterdrückung der Störsignale mit RC-Filtern ist zwar möglich, führt aber zu einem schlechteren Wirkungsgrad, zudem benötigen die zusätzlichen Komponenten Fläche auf der Leiterplatte.