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Gleichspannungswandler im Fahrzeug

Eingangsstufe gegen Transienten schützen

24. Juli 2017, 10:17 Uhr | Von Vijay Choudhary

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Aufwärtswandler mit nachgeschaltetem Abwärtswandler

In Bild 4 sind die Vorteile und Restriktionen verschiedener Konzepte von DC/DC-Wandlern für den Betrieb am Kfz-Bordnetz aufgeführt. Ein Konzept sieht vor, einen Aufwärtswandler als erste Gleichspannungswandlerstufe zu verwenden, um eine höhere Spannung zu erzeugen (Bild 4a). Es folgt ein Abwärtswandler mit großem Eingangsspannungsbereich als zweite Stufe. Die Aufwärtswandler-Funktion erleichtert das Sicherstellen eines unterbrechungsfreien Betriebs, wenn die Bordnetzspannung beispielsweise beim Kaltstart zu stark absinkt. Die Abwärtswandlerstufe reduziert anschließend die Spannung auf das richtige Maß. Ein wichtiger Pluspunkt dieses Ansatzes ist, dass der Spulenstrom des eingangsseitigen Aufwärtswandlers eine relativ geringe Welligkeit aufweist und dass der Welligkeitsstrom gravierend zurückgeht, wenn sich die Bordnetzspannung wieder ihrem Normalwert nähert. Hierdurch muss das EMV-Filter weniger Dämpfung aufweisen und kann entsprechend kleiner und kostengünstiger gebaut werden.

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Ein Nachteil des Aufwärtswandlers als erste Stufe ist, dass zwar Einbrüche der Bordnetzspannung ausgeglichen werden, aber keine Möglichkeit besteht, Spannungsspitzen zu begrenzen, die beispielsweise bei einem Lastabwurf oder bei Starthilfe auftreten können. Die folgende Abwärtswandlerstufe muss deshalb für die volle Lastabwurfspannung ausgelegt werden, die in der Praxis meistens 42 V beträgt. Hierdurch müssen die Kosten und der Platzbedarf zweier Stufen in Kauf genommen werden, die beide für einen weiten Eingangsspannungsbereich und den vollen Laststrom zu dimensionieren sind.

Ein weiterer Kostenfaktor durch die zwei Wandlerstufen ist die zwangsläufig entstehende doppelte Umwandlung, weil es in beiden Stufen zu Schalt- und Leitungsverlusten kommt. Diese doppelte Spannungswandlung aber ist ständig aktiv, auch wenn die Bordnetzspannung im Sollbereich liegt und eigentlich ein Abwärtswandler ausreichend wäre. Zur Vermeidung der zusätzlichen Verluste, die durch die stets aktive Aufwärtswandlerstufe in Bild 4a entstehen, wird die Aufwärtswandlerstufe in Bild 4b nur bei Bedarf zugeschaltet. Normalerweise wird sie überbrückt, wie die gestrichelte rote Linie in Bild 4b andeutet. Sie beginnt erst dann zu arbeiten, wenn die Bordnetzspannung unter einen vorgegebenen, von der Charakteristik der nachfolgenden Abwärtswandlerstufe abhängigen Grenzwert fällt. Da der Aufwärtswandler also die meiste Zeit nicht aktiv ist, werden die in ihm entstehenden Verluste vermieden. Allerdings muss der Aufwärtswandler schnell genug reagieren, um ein zu starkes Einbrechen der Versorgungsspannung für den Verbraucher zu verhindern. Möglicherweise sind zusätzliche Schaltungen erforderlich, um das Absinken der Bordnetzspannung zu detektieren und vom Bypass- in den Aufwärtswandler-Modus zu wechseln.

Da der bei Bedarf zugeschaltete Aufwärtswandler nur bei einem Sinken der Bordnetzspannung arbeiten soll, eignet sich diese Schaltung nur für Anwendungen mit relativ geringer Versorgungsspannung von beispielsweise 3,3 V oder 5 V, also deutlich unter der nominellen Bordnetzspannung.

Ab-/Aufwärtswandler

Die Bewältigung des großen Bordnetzspannungsbereichs (Bild 3) am Eingang mit nur einer Wandlerstufe für die geregelte Ausgangsspannung ermöglichen Ab-/Aufwärtswandler (Bild 4c). Für diese Ab-/Aufwärtswandlung werden verschiedene Schaltungen verwendet [4]. Ein Gleichspannungswandler mit weitem Eingangsspannungsbereich und vier MOSFET-Schalttransistoren in H-Brückenschaltung kann die Eingangsspannung sowohl anheben als auch verringern und die Ausgangsspannung selbst dann regeln, wenn die Eingangsspannung gleich der Ausgangsspannung ist. Das vereinfachte Schaltbild und die Signalverläufe dazu sind in Bild 5 dargestellt.

Solange die Eingangsspannung höher ist als die vorgesehene Ausgangsspannung, arbeitet die Schaltung im Abwärtswandler-Modus und der ausgangsseitige Brückenzweig wird nicht getaktet. Der obere MOSFET T₃ ist permanent eingeschaltet, der untere MOSFET T₄ dagegen wird gesperrt. Unterschreitet die Eingangsspannung U_E den Ausgangsspannungswert, wird der Aufwärtswandler-Modus aktiviert. Der ausgangsseitige Brückenzweig wird nun getaktet, während die MOSFETs im eingangsseitigen Brückenzweig permanent in den Ein- (T₁) und Aus-Zustand (T₂) geschaltet werden. Liegt die Eingangsspannung U_E nah an der Ausgangsspannung U_A, arbeitet der Wandler dagegen zyklusweise abwechselnd im Ab- und Aufwärts-Modus, um für einen gleichmäßigen Betrieb zu sorgen. Da in jedem Zyklus nur ein Brückenzweig, nämlich abwechselnd der Abwärtswandler- oder der Aufwärtswandler-Zweig schaltet, werden die höheren Verluste einer zweistufigen Umwandlung vermieden.

Anders als ein Aufwärtswandler, der nur die Eingangsspannung hochsetzen kann, aber die Ausgangsspannung nicht unter den Wert der Eingangsspannung klemmen kann, bietet die Ab-/Aufwärtswandlerschaltung Immunität sowohl gegen Spannungseinbrüche als auch gegen Ausschläge der Eingangsspannung nach oben. Für Automobil-Anwendungen, deren Ausgangsspannung über dem nominellen Bereich der Bordnetzspannung liegt (≥16 V), zeichnet sich der Ab-/Aufwärtswandler durch geringe Eingangswelligkeit, Überlastungs- und Kurzschlussschutz sowie eine Einschaltstrombegrenzung aus. Außerdem ermöglicht der Ab-/Aufwärtswandler den Verzicht auf sperrige passive Filter für niedrige Frequenzen. Diese wären sonst zur Unterdrückung der überlagerten Wechselspannung nötig, die wegen der Gleichrichtung der vom Generator erzeugten Wechselspannung auf der 12-V-Bordnetzspannung zu beobachten ist.

Für geregelte Ausgangsspannungen, die kleiner sind als die nominelle Bordnetzspannung, z.B. 5 V oder 3,3 V, eignet sich die Ab-/Aufwärtswandlerschaltung als einstufiger DC/DC-Wandler, die mit einem höheren Wirkungsgrad besser arbeitet als die Serienschaltung aus einem vorgeschalteten Aufwärtswandler und einem anschließenden Abwärtswandler (Bild 4a). Der Größenvorteil der Ab-/Aufwärtswandlerschaltung mit einer Induktivität wird allerdings etwas limitiert, da in der Regel ein größeres EMV-Filter benötigt wird.
Für Automobil-Stromversorgungen ist der Ab-/Aufwärtswandler aus Bild 5 der ideale Vorregler. Dieser DC/DC-Wandler verbindet die Vorzüge eines Aufwärtswandlers als erste Stufe und bietet beispielsweise eine geringe Eingangswelligkeit für Ausgangsspannungen von 16 V bis 24 V – siehe Bild 4c – und Schutz beim Anlassen. Der Ab-/Aufwärtswandler wartet außerdem mit einem Schutz gegen zu hohe Eingangsspannungen (Lastabwurf) sowie Überstrom- und Kurzschlussschutz auf, die sonst nur ein Abwärtswandler bietet. Nicht zuletzt bietet der Ab-/Aufwärtswandler im ausgeschalteten Zustand eine echte Trennung zwischen Eingang und Ausgang.