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Analyse und Berechnungsgrundlagen für optimierten Einsatz in Kraftfahrzeugen

SEPIC-Wandler für Automotive-Anwendungen

10. November 2009, 8:04 Uhr |

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

SEPIC-Wandler für Automotive-Anwendungen

Berechnung der Induktivitäten

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Bei SEPIC-Wandlern liegen an beiden Wicklungen gleich hohe Spannungen. Die Stromspitzen sind zwar unterschiedlich hoch, aber der Stromfluss ist gleich. Daher können die Induktivität und die Windungszahl gleich groß gemacht und auf einem Spulenkörper untergebracht werden. Für die gekoppelten Induktivitäten gilt Formel 3 mit ΔI_L = gewählter akzeptierbarer Ripple des Spulenstroms.

Der Sättigungsstrom der gekoppelten Induktivität soll höher als der Spitzenstrom (I_L(PK)) sein. Dies ist nach Formel 4 zu überprüfen mit η = geschätzter Wirkungsgrad und 20 % Stromripple bezogen auf den Eingangsstrom. Der Effektivwert für die Strombelastung der Induktivitäten wird mit Formel 5 ermittelt, wobei sich I_dcL nach Formel 6 berechnet. Für die hier gewählte Schaltung wurde eine 15-μH-Spule von CoilCraft verwendet (MSD₁278-153ML).

Berechnung der Ein- und Ausgangskondensatoren

Der Eingangsstrom eines SEPIC-Wandlers ist kontinuierlich und weist einen dreieckförmigen Kurvenverlauf auf. Der Eingangskondensator ist entsprechend der Formeln 7 und 8 auszulegen, wobei ΔU_ein der Ripple der Eingangsspannung ist. Der ESR des Eingangkondensators soll möglichst kleiner als nach Formel 9 sein.

Der Ausgangskondensator muss den vollen Ausgangsstrom liefern, wenn der FET eingeschaltet ist und Energie in den Spulen gespeichert wird. Er muss den Effektivwert nach Formel 10 liefern.

Zusätzlich muss der Ausgangskondensator so ausgewählt werden, dass er die Bedingungen gemäß der Formeln 11 und 12 erfüllt. Der Spannungsripple beträgt 128 mV(pp) am Ausgang und 25 mV am Eingang bei 6 V Eingangsspannung und 1 A Ausgangsstrom, wie in Bild 4 zu sehen ist.

Schaltwandler mit stromgesteuertem Regler, wie zum Beispiel MAX15004 und MAX15005 – mit einem Eingangsspannungsbereich von 4,5 V bis 40 V auch als SEPIC-Wandler einsetzbar – sind für Automotive-Anwendungen besonders gut geeignet. Erfolgt die Versorgung des ICs von den noch geladenen Ausgangskondensatoren, darf die Eingangsspannung während des Kaltstarts sogar auf 2,5 V einbrechen. Diese Wandler haben alle Funktionsblöcke integriert, um einen SEPIC-Wandler mit fester Schaltfrequenz aufbauen zu können: stabile Schleifenverstärkung, Synchronisation, zyklisches Neustarten bei Kurzschluss und Überspannungsschutz. Die externe Beschaltung wird dadurch einfach und platzsparend.

Um optimale Ergebnisse beim praktischen Einsatz des SEPIC-Wandlers zu erhalten, wird nun die Vorgehensweise und die Bauteilberechnung beschrieben. Dabei werden folgende Vorgaben festgelegt: U_ein = 6 V bis 40 V, U_aus = 12 V, I_aus = 1 A und U_einmin = 2,5 V, wenn U_cc nach dem Einschalten während des Kaltstarts separat versorgt wird. Die Ausgangsleistung soll bei U_ein = 2,85 V noch 85 % betragen. Bild 2 zeigt die Schaltung für die genannten Spezifikationen. Die Stromversorgung kann in raftfahrzeugen z.B. für eine Stereoanlage verwendet werden.