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Minimierung von Trafo-Verlusten, Teil 1

Entwickler von Sperrwandlern – aufgepasst!

14. November 2017, 15:01 Uhr | Von David Woodcock (Future Electronics)

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Wandlerspezifikation beeinflusst das Transformator-Design

Die Optimierung des Flyback-Transformators wird durch die vom Entwickler vorgegebenen Hauptparameter bestimmt:

Ausgangsleistung
Schaltfrequenz
Spitzen- und Durchschnittswerte der Ströme in der Primär- und Sekundärwicklung (im ungünstigsten Fall bei maximaler Last und minimaler Eingangsspannung)
Primäre Induktivität
Maximale Flussdichte
Wicklungsverhältnis

Bevor der Ingenieur mit der Entwicklung des Flyback-Transformators beginnt, muss jedoch das Ansteuerverfahren festgelegt werden: CCM (Continuous Conduction Mode), DCM (Discontinuous Conduction Mode) oder CRM (Critical Conduction Mode).

Die Vorgehensweise bei der Entwicklung des Transformators ist bei allen drei Modi gleich. Sie unterscheidet sich jedoch bei allen Leistungswandlern und beim Sperrwandler sehr grundsätzlich, da die Transferfunktion des Wandlers in allen Fällen verschieden ist, was sich auf die Kompensation der Rückkopplung auswirkt.

Zum Thema der Ansteuerungsverfahren steht dem Entwickler umfangreiche Literatur zur Verfügung. Somit wird im Folgenden darauf nicht weiter eingegangen. Die praktische Erfahrung im Future Electronics SDC legt nahe, dass die Auswahl in den meisten Fällen durch die folgenden Faktoren bestimmt wird:

Geringe Größe und Kosten. In diesen Fällen ist DCM wegen der kleineren benötigten Induktivität im Vorteil.
Niedrige Verluste im leitenden Zustand und hoher Wirkungsgrad bei höheren Ausgangsleistungen. In diesen Fällen wird CCM bevorzugt, da die Spitzen- und Effektivwerte (RMS) des Ausgangsstroms bei allen Ausgangsleistungen niedriger sind.

Eine weitere Entscheidung, die schon früh im Entwicklungsprozess getroffen werden muss, ist die Auswahl des Kernmaterials. Hauptparameter für dessen Auswahl sind die maximale Flussdichte, der magnetische Widerstand und die Kosten. Das bei Flyback-Transformatoren häufigste Kernmaterial ist Ferrit. Es ist ein sehr günstiges Material, dass sich bei Schaltfrequenzen bis rund 500 kHz durch geringe Verluste auszeichnet. Ferritkerne gehen jedoch bei relativ niedriger Flussdichte, gewöhnlich um 0,4 T, in die Sättigung. Das heißt, dass die Flussdichte bei Ausführungen mit herkömmlichen Ferritkernen bei primärseitigen Stromspitzen auf maximal 0,3 T gehalten werden sollte, um eine Sättigung zu vermeiden.