Bidirektionale Stromversorgungen Auf Spannung oder Spitzenstrom regeln?

Bei schnellen bidirektionalen Stromversorgungen spielt die Synchrongleichrichtung eine Schlüsselrolle für den Energiefluss in die Gegenrichtung, und das Einschwingverhalten des Ladestroms verbessert sich stark. Dies liegt daran, dass der Discontinuous-Conduction-Modus nie aktiviert wird. Wenn große Lastsprünge zu erwarten sind, muss der Wandler kontinuierlich im Continuous-Conduction-Modus bleiben. Denn derartige Lastsprünge erzeugen einen negativen Stromfluss, der sehr viel länger dauern kann als nur einen Schaltzyklus. Wie sieht also eine korrekte Regelung in isolierten Stromversorgungen mit bidirektionalem Energiefluss aus?

Wie bei vielen modernen PWM-Controllern ist beim »UCC28950« von Texas Instruments ein Burst-Modus implementiert, um den Wirkungsgrad bei geringen Lasten hoch zu halten. Die Aktivierung des Burst-Modus führt zu einem sehr geringen Primärstrom und einem niedrigen Tastverhältnis am Ausgang bei geringer oder fehlender Last. Dies bedeutet, dass das Signal der Strommessung ebenfalls sehr klein ist. Außerdem wird dem Stromsignal im Millivoltbereich ein hundertfaches Schaltrauschen auferlegt. Dies kann zu Instabilität des Controllers führen, weil er versucht, ein Spitzenstromsignal zu steuern, das nicht sauber genug ist.

Da im Peak-Current-Modus auf jeden Fall eine Stromanstiegskompensation (Slope Compensation) notwendig ist, besteht die einzige Lösung darin, im Fall von geringer Last diese noch weiter zu erhöhen, um den Wandler stabil zu halten. Dann jedoch handelt es sich nicht mehr um eine echte Regelung auf den Spitzenstrom, sondern um einen Voltage-Modus.

Durch einen Lastsprung wird zunächst am Ausgang ein sehr großer Spannungsabfall erzeugt, bis der Controller den Burst-Modus verlässt und der Regelkreis zu reagieren beginnt. Den Burst-Modus zu deaktivieren ist der richtige Ansatz für eine bidirektionale Hochgeschwindigkeitsanwendung. In diesem Fall arbeitet die Synchrongleichrichtung permanent, und die Einschaltdauer bleibt über den gesamten Lastbereich hinweg konstant. Doch bei geringer oder fehlender Last ist das Stromsignal immer noch sehr klein und hat zudem einen negativen Anteil.

Die Erklärung ist einfach: Der Strom in der Ausgangsdrossel hat zwei Komponenten, einen Mittelwert (Gleichstrom) und eine AC-Komponente (Brummstrom). Bei fehlender Last ist der Mittelwert gleich null, doch aufgrund der Synchrongleichrichtung bleibt der Strom im Wandler gleich und daher ist die AC-Komponente immer präsent (Bild 1).

Probleme bei Last sprüngen

Durch dieses Verhalten wird das Strommesssignal auf der primären Seite für jede Periode des Zyklus’ auf null gezwungen, wenn der Strom negativ ist (von der sekundären Seite auf die primäre Seite zurückfließt). Je höher der Brummstrom ist, desto negativer ist diese Spannung. Da die negative Spannung in Bild 2 von einer Diode blockiert wird (unipolare Strommessung), ist die Spannung am Strommessanschluss des Controllers annähernd null.

Wenn nun die Totzeit zwischen den einzelnen Schaltzyklen nicht lang genug ist, um den Transformator zu entmagnetisieren, geht er in Sättigung. All dies zusammen verursacht eine Menge Probleme und kann den Controller stören, besonders bei sehr großen Lastsprüngen. Nicht einmal eine hohe Stromanstiegskompensation kann den Wandler stabil halten.

Bild 3 zeigt einen sehr steilen Abfall der Last mit 1 A/µs. Der Strom durchbricht die Nulllinie und wird negativ (im Durchschnitt). Der Strom bleibt so lange negativ, bis die überschüssige Energie zurückgespeist wurde. Währenddessen weist das Signal am Strommessanschluss eine negative Flanke auf. Controller, die im Peak-Current-Modus arbeiten, können in dieser Situation nicht mehr regeln.

Folglich eignet sich die unipolare Strommessung mit einem Strommesstransformator nur für Wandler, bei denen der Strom nur in eine Richtung fließt, also nicht für den bidirektionalen Modus. Für die unipolare Strommessung ist eine Hochspannungsdiode mit sehr geringer Kapazität und geringem Leckstrom erforderlich. Außerdem wird eine Klemmschaltung benötigt, um die Schaltung gegen die Spannungsspitzen zu schützen, verursacht durch die Streuinduktivität des Strommesstransformators.

Die bei der Entwicklung gewonnene Erfahrung zeigt, dass der Wandler die Möglichkeit für bidirektionalen Betrieb haben muss, um ein gutes Lastsprungverhalten bei Lastsprüngen von 0% auf 100% zu erreichen. Zwei Anforderungen müssen erfüllt sein:

  • Der PWM-Controller muss im Voltage-Modus arbeiten.
  • Ein Schutz in Form von zyklusweiser Überstrombegrenzung (Cycle-by-Cycle Current Limitation) ist erforderlich.

Daher muss der Strommesstransformator in Reihe zur Primärwicklung des Vollbrückentransformators geschaltet werden. Dies stellt die Entmagnetisierung sicher, auch wenn ein negativer Strom gemessen wird (Stromfluss von der sekundären Seite zur primären Seite). Um zu verhindern, dass der Vollbrückentransformator im Voltage-Modus in Sättigung geht, schaltet man am einfachsten einen Kondensator mit dem Transformator in Reihe. Dies blockiert Gleichstromkomponenten, die von Asymmetrien verursacht wurden.

Der Typ und der Wert dieses Kondensators leiten sich aus der akzeptierten Brummspannung und dem primären Spitzenstrom her. In diesem Fall sind normalerweise 2% der Eingangsspannung für die Rippel-Spannung zulässig, und ein X7R-Kondensator ist für diese Aufgabe geeignet.

Zahlenbeispiel

Bei einer Schaltfrequenz von 210 kHz und einer minimalen Eingangsspannung von 36 V muss der Kondensator nach Gleichung (1) eine Kapazität von mindestens 60 µF haben.

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Angesichts der in Erwägung zu ziehenden Toleranzen und des zulässigen Rippel-Stroms werden zweimal 47 µF des Typs X7R verwendet. Bei der Parallelschaltung der beiden Kondensatoren reduziert sich der ESR und wir gewinnen etwas Sicherheit. Eine unidirektionale Strommessung funktioniert nur gut, wenn der Strom in eine Richtung fließt. Andererseits funktioniert die bidirektionale Strommessung nur mit Wechselstrom.

Da der Strommess-transformator mit der primären Wicklung des Vollbrückentransformators in Reihe geschaltet ist und das System im Spannungsmodus arbeitet, ist diese Anforderung erfüllt. Außerdem wird der Transformator entmagnetisiert, da nur Wechselstrom fließt, weil der Kondensator mit dem Vollbrückentransformator in Reihe geschaltet ist.

Die Gleichrichtung des Stromsignals ist nicht länger problematisch; Schottky-Dioden mit niedriger Sperrspannung können verwendet werden. Im Voltage-Modus mit bipolarer Strommessung wird das Strommesssignal nur für die Überstromabschaltung verwendet. Wenn das Signal den Schwellenwert erreicht, wechselt der Controller zyklusweise in die Spitzenstrombegrenzung. Daher ist wiederum eine Slope-Compensation erforderlich.

Über den Autor:

Milan Marjanovic ist in der EMEA Design Services Gruppe bei Texas Instruments tätig.

Tipps   

Verwenden Sie eine Topologie mit Synchrongleichrichtung für eine Hochleistungs- und Hochgeschwindigkeits-Stromversorgung. Nur aus diesem Grund ist es möglich, in zwei Quadranten zu arbeiten und daher ein gutes Lastsprungverhalten zu erreichen.
Deaktivieren Sie den Burst-Modus und aktivieren Sie dauerhaft den Continuous-Conduction-Modus. Dadurch wird der Wirkungsgrad bei keiner oder wenig Last reduziert. Das ist die einzige Möglichkeit, schnell auf hohe Laststromänderungen zu reagieren.
Vermeiden Sie Komponenten mit einem Tiefpassverhalten in der Spannungsrückkopplung, zum Beispiel einen Optokoppler. Die höchste Bandbreite lässt sich erreichen, wenn der PWM-Controller auf der Sekundärseite platziert wird.
Verwenden Sie den Voltage-Modus und eine bidirektionale Strommessung, um Instabilität zu vermeiden, wenn der Strom zurückfließt (von der sekundären Seite auf die primäre Seite).