Die asymmetrische Halbbrücke – Teil 1 (Formelzeichen)

Heutige Schaltnetzteile erfordern Wandlerschaltungen, die eine hohe Leistungsdichte und einen hohen Wirkungsgrad erlauben. Die asymmetrische Halbbrücke hat wegen ihres natürlichen entlasteten Schaltens Vorteile hinsichtlich geringerer Schaltverluste und einer verminderten Störstrahlung. Sie ermöglicht Netzteile mit hohem Wirkungsgrad für unterschiedliche Anwendungen – bei kleinen Abmessungen und zu reduzierten Kosten. Dieser Artikel erläutert die grundlegenden Eigenschaften der asymmetrischen Halbbrücke.

Heutige Schaltnetzteile erfordern Wandlerschaltungen, die eine hohe Leistungsdichte und einen hohen Wirkungsgrad erlauben. Die asymmetrische Halbbrücke hat wegen ihres natürlichen entlasteten Schaltens Vorteile hinsichtlich geringerer Schaltverluste und einer verminderten Störstrahlung. Sie ermöglicht Netzteile mit hohem Wirkungsgrad für unterschiedliche Anwendungen – bei kleinen Abmessungen und zu reduzierten Kosten. Dieser Artikel erläutert die grundlegenden Eigenschaften der asymmetrischen Halbbrücke.

Von Markus Hallenberger

Die aktuellen Entwicklungen im Bereich von Stromversorgungen zeigen deutlich, dass nicht nur die Verbesserung des Wirkungsgrades für den Einsatz bzw. die Festlegung für eine bestimmte Schaltung eine wichtige Rolle spielt, sondern auch die erzielbare Leistungsdichte. Die Größe der passiven Komponenten, wie Induktivitäten, Kondensatoren und inbesondere des EMVFilters, ist direkt abhängig von der Schaltfrequenz der Stromversorgung. Jedoch ist zu beachten, dass die Erhöhung der Schaltfrequenz, speziell bei hart-schaltenden Wandlerschaltungen, zu größeren Schaltverlusten führt, was letztendlich eine Limitierung der Schaltfrequenz bedeutet, um hohe Schaltverluste zu vermeiden [1 – 7].

Entlastetes Schalten (soft-switching) ist daher der einzig sinnvolle Weg, um Schaltverluste zu vermeiden. Hierfür sind unterschiedliche Möglichkeitenentwickelt worden. Die beiden bekanntesten sind das so genannte resonante Schalten (Load-Resonant-Switching, LRS) und das Nullspannungsschalten (Zero-Voltage-Transition-Technique, ZVT).

Beim LRS wird eine Resonanz zwischen den Kapazitäten und den Induktivitäten des Wandlers während des gesamten Schaltzyklus genutzt, um die Schaltfrequenz abhängig von der Eingangsspannung und dem Laststrom zu variieren. Bei dieser Technik des entlasteten Schaltens ist im Ausgang der Schaltung keine Speicherdrossel vorhanden, so dass bei Applikationen mit hohem Ausgangsstrom und niedriger Spannung die usgangskondensatoren stark belastet werden.

Bei der ZVT – auch als Zero Voltage Switching (ZVS) ezeichnet – kommt ebenfalls eine Resonanz der parasitären Effekte der Bauteile während des Ein- und Ausschaltvorganges zum Tragen. Ein Vorteil dieser Technik ist die Verwendung der parasitären Komponenten der Bauteile, wie z.B die Streuinduktivität LStreu des Leistungsübertragers sowie die Ausgangsskapazität COSS des Halbleiterschalters. Dadurch werden keine weiteren zusätzlichen Komponenten benötigt, um ZVS zu gewährleisten. Diese Art des entlasteten Schaltens wird hauptsächlich bei Schaltreglern mit fester Schaltfrequenz und Pulsbreitenmodulation (PWM) angewendet.

Die asymmetrische Halbbrücke ermöglicht das entlastete chalten bei 0 V am Schalttransistor (ZVS), vermindert zugleich den Strom- und Spannungsstress an den Leistungs- MOSFETs und gestattet einen optimierten Aufbau – dank der reduzierten Gehäuseabmessungen der passiven Komponenten. Der bertrager z.B. kann um mehr als 50 % kleiner ausfallen als bei Durchflusswandlern. Mit einem asymmetrischen Halbbrückenwandler sind verhältnismäßig einfache Schaltungen realisierbar, die sich leicht regeln lassen. Sie arbeiten mit fester Schaltfrequenz, und dank des Schaltens bei 0 V ermöglichen sie einen hohen Wirkungsgrad und verursachen wenig elektromagnetische Interferenzen.

Als zentrales Steuer-IC für einen asymmetrischen Halbbrückenwandler eignet sich die neue FSFA-Serie der Fairchild Power Switches (FPS) mit integriertem PWM-Controller, Leistungs-MOSFETs und Nullspannungsschaltung (Zero-Voltage-Switching). Wegen des hohen Integrationsgrades der FSFA-Bausteine werden nur wenige externe Komponenten benötigt.