Anpassung der Arbeitsweise von Schaltreglern an Last und Eingangsspannung Schaltregler: Hybrider Betrieb für hohen Wirkungsgrad

Ein hoher Wirkungsgrad von Schaltreglern lässt sich normalerweise nur in einem Arbeitspunkt erreichen. Bei Teillast, im Leerlauf oder bei sich ändernder Eingangsspannung fällt ihr Wirkungsgrad deutlich ab. Eine Möglichkeit, um über einen großen Lastbereich einen hohen Wirkungsgrad sicherzustellen...

Anpassung der Arbeitsweise von Schaltreglern an Last und Eingangsspannung

Ein hoher Wirkungsgrad von Schaltreglern lässt sich normalerweise nur in einem Arbeitspunkt erreichen. Bei Teillast, im Leerlauf oder bei sich ändernder Eingangsspannung fällt ihr Wirkungsgrad deutlich ab. Eine Möglichkeit, um über einen großen Lastbereich einen hohen Wirkungsgrad sicherzustellen, ist die Anpassung der Betriebsweise des Schaltreglers, der Wechsel zwischen PWM- und quasi-resonantem Betrieb.

Obwohl die meisten Haushaltsgeräte und Bürogeräte direkt über die Steckdose mit Netzspannung versorgt werden, erfolgt bei allen diesen Geräten intern die Versorgung mit einer sehr viel niedrigeren Gleichspannung. Dementsprechend müssen die Netzteile die hohe Netzwechselspannung in eine niedrigere Gleichspannung umwandeln. Nach Untersuchungen der Ecos Consulting sind gegenwärtig grob geschätzt rund 3 Mrd. Netzteile allein in den Vereinigten Staaten von Amerika und etwa 10 Mrd. weltweit im Einsatz [1, 2].

Auf Grund der großen Verbreitung derartiger Netzteile hat international das Interesse an deren Energieeffizienz und deren Auswirkungen auf die Umwelt deutlich zugenommen. In einem ersten Schritt wurde eine Reihe von Maßnahmen ergriffen, um deren Wirkungsgrad im Bereitschaftsbetrieb zu verbessern [3 – 6]. Zwar lässt sich mit vielen dieser technischen Ansätze der Wirkungsgrad im Bereitschaftsbetrieb verbessern, aber nicht immer auch im Volllastbetrieb. Untersuchungen von Ecos Consulting haben gezeigt, dass etwa 73 % des Gesamtenergieverbrauchs der Stromversorgungen auf den Volllastbetrieb entfallen. Dies impliziert, dass es mehr Möglichkeiten für eine Energieeinsparung im aktiven Betrieb geben muss [1, 2].

In Bild 10 ist der Wirkungsgrad der drei Wandler-Prototypen bei einer Eingangsspannung von 115 V und 230 V dargestellt. Der konventionelle quasiresonante Betrieb (rote Kurve) zeigt einen schlechteren Wirkungsgrad bei voller Last und niedriger Netzspannung. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich die geringeren Schaltverluste gegenüber dem höheren Leitend-Verlust bei voller Last und niedriger Netzspannung vernachlässigen lassen. Der hybride Betrieb (grüne Kurve) zeigt einen verbesserten Wirkungsgrad bei niedriger Netzspannung und voller Last, da der quasi-resonante Betrieb nur erlaubt wird, wenn der Wandler bei sich ändernder Last oder Eingangsspannung in den DCM-Modus geht.

Somit treten keine höheren Leitend-Verluste auf Grund des relativ hohen Drain-Stroms auf, der ansonsten einen CRM-Modus über den gesamten Betriebsbereich garantieren muss. Bei einer Eingangsspannung von 230 V erreicht die hybride Methode gegenüber den beiden anderen Methoden einen höheren Wirkungsgrad. Der konventionelle quasi-resonante Betrieb (rote Kurve) hat einen niedrigeren Wirkungsgrad, da durch die höhere Schaltfrequenz bei einer hohen Netzspannung die Schaltverluste steigen. Die Kurven in Bild 10 verdeutlichen, dass der hybride Controller den Wirkungsgrad sowohl bei hoher, als auch bei niedriger Netzspannung steigern kann. hs