Leistungswandler - Teil 2 Gekoppelte Induktivitäten und ihre Anwendungen

Im Mittelpunkt des Artikel stehen verschiedene DC/DC-Wandlerschaltungen mit gekoppelten Induktivitäten.
Im Mittelpunkt des Artikel stehen verschiedene DC/DC-Wandlerschaltungen mit gekoppelten Induktivitäten.

In einer Serie widmet sich Dr. Heinz Zenkner umfassend dem Thema gekoppelte Induktivitäten. Nach dem ersten Beitrag über Funktion, Vor- und Nachteile sowie dem prinzipiellen Einsatz stehen nun im zweiten Teil die verschiedenen DC/DC-Wandlerschaltungen mit gekoppelten Induktivitäten im Mittelpunkt.

Die Entwicklung einer einzigen zentralen Stromversorgung ist ein erheblicher Kostenfaktor bei der Geräteentwicklung. Häufig hat das Gerät eine Vielzahl von Konfigurationen mit unterschiedlichen Leistungsanforderungen. Um Entwicklungskosten zu sparen, wird oft nur ein einziger Entwurf verwendet, der den maximalen Lastbereich abdeckt. Das Ergebnis ist, dass viele Benutzer für Funktionen bezahlen müssen, die in ihrer jeweiligen Konfiguration nicht benötigt werden. Das Gerät wird zudem größer bzw. aufwendiger hinsichtlich der Verteilung der verschiedenen Spannungen sowie hinsichtlich der zentralen Kühlung.

Ein Weg zur Reduzierung der Kosten und des Aufwands für die Entwicklung eines Stromversorgungssystems besteht darin, eine verteilte Stromversorgung zu verwenden, bei der Teile der Stromversorgung innerhalb des Geräts dezentral verteilt sind und je nach Bedarf hinzugefügt werden, wenn es die Konfiguration erfordert.

Im Allgemeinen sind die DC/DC-Wandlermodule für die Leiterplattenmontage recht einfach und effizient und häufig ist keine galvanische Trennung erforderlich, was die Wandler weiter vereinfacht. Die Verwendung mehrerer kleiner Gleichspannungswandler ermöglicht eine kundenspezifische Anpassung im Gerät, mit kostengünstigen standardisierten Modulen. In einem komplexen Gerät können so erhebliche Kosteneinsparungen erzielt werden. Die Schaltungen der jeweiligen DC/DC-Wandler können, je nach Schaltungsanforderung, entsprechend den Vor- und Nachteilen ausgewählt werden. Somit wird das Stromversorgungssystem als Ganzes hinsichtlich einer EMV-gerechten Entwicklung einfacher und von Haus aus besser, da Kopplungen durch lange Zuleitungen, aufwendige Hochstromfilter und mangelhaft angepasste Schaltungen entfallen.

Um Platz auf der Leiterplatte zu sparen, d.h. die erforderliche Fläche zu minimieren, sollte die Schaltfrequenz des Wandlers so hoch wie möglich sein. Die neueren Generationen von Gleichspannungswandlern verwenden deshalb Schaltfrequenzen im niedrigen MHz-Bereich. Weiterhin sollte der Wirkungsgrad hoch sein, ein schlechter Wirkungsgrad würde die Größe und die Kosten der Stromversorgung erhöhen und thermische Probleme innerhalb der Einheit verursachen.

Im Folgenden werden verschiedene Topologien aufgezeigt, die mit gekoppelten Induktivitäten arbeiten, um in einem weiteren Schritt die Kosten durch Einsparen von induktiven Komponenten zu reduzieren sowie ein besseres elektromagnetisches Verhalten durch ein besseres Schaltungsdesign zu erreichen.

DC/DC-Wandlerschaltungen

Es gibt verschiedene Grundschaltungen, die für Gleichspannungswandler verwendet werden könnten. Sie fallen alle in drei allgemeine Kategorien: Hart schaltende-, resonante- und quasi-resonante Wandler. Der Leistungsbereich für auf Platinen dezentral verteilte DC/DC-Wandler liegt typisch zwischen 1 W und 100 W. Für diese Leistungen werden, aufgrund ihrer geringeren Kosten, vollintegrierte Schaltungen – ein IC – oder Schaltungen mit einem einzigen externen Leistungs-MOSFET bevorzugt. Grundschaltungen für solche PWM-geregelten DC/DC-Wandler sind Abwärtswandler, Durchflusswandler, Aufwärtswandler, Sperrwandler-, Aufwärts-/Abwärtswandler, SEPIC (Single Ended Primary Inductance Converter) und Cuk-Wandler.

Im Allgemeinen werden Schaltungen bevorzugt, bei denen der schaltende MOSFET Massebezug hat, da sich dann sowohl die Gate-Treiber-Schaltungen vereinfachen als auch die EMV-Probleme leichter zu bewältigen sind. Die Aufwärts-, Cuk- und SEPIC-Wandler sind nicht galvanisch trennende DC/DC-Wandler mit auf Masse bezogenen Leistungs-MOSFETs als Schaltern. Die Sperrwandler und Durchflusswandler, auch mit einem einzigen auf Masse bezogenen Leistungs-MOSFET als Schalter, bieten galvanisch isolierte Ausgänge.

Der Preis, der für die Verwendung eines Trenntransformators bezahlt wird, sind nicht nur höhere Kosten, sondern auch die Schwierigkeit, eine Hochleistungsschaltung zu entwerfen, die bei höherer Frequenz allen Bedingungen gerecht wird. Die einfacheren nicht galvanisch isolierenden Wandlerschaltungen werden normalerweise in einer verteilten Stromversorgung bevorzugt, sofern nicht zwingende Gründe für die Bereitstellung der galvanischen Trennung vorliegen.

Die Aufwärts-, Cuk- und SEPIC-Wandlerschaltungen haben unterschiedliche Eigenschaften. Der Aufwärtswandler hat einen nicht pulsierenden Eingangsstrom und einen pulsierenden Ausgangsstrom. Es können nur höhere Spannungen als die Eingangsspannung erzeugt werden.

Der Cuk-Wandler verfügt über nicht pulsierende Eingangs- und Ausgangsströme und kann Spannungen erzeugen, die höher oder niedriger als die Eingangs-spannung sind. Ein nicht isolierender Cuk-Wandler invertiert das Vorzeichen der Eingangsspannung, er ist also im Normalfall mit einer positiven DC-Zwischenkreisspannung nur eingeschränkt verwendbar.

Die SEPIC-Schaltung ist nicht invertierend und kann Spannungen über oder unter der Eingangsspannung erzeugen. Ihr Eingangsstrom ist nicht pulsierend, aber der Ausgangsstrom pulsiert.

Generell sind nicht pulsierende Eingangs- und Ausgangsströme wünschenswert, um EMV-Probleme zu minimieren. Bei Bedarf müssen also zusätzliche Filterelemente berücksichtigt werden. Eine Übersicht der verschiedenen Wandler-Grundschaltungen zeigt Bild 1. In allen in Bild 1 dargestellten Wandlerschaltungen können gekoppelte Induktivitäten vorteilhaft eingesetzt werden.

Sperrwandler

Steckbrief 1: Sperrwandler

Der Sperrwandler (Bild 2) ist die einfachste Grundschaltung für einen galvanisch isolierenden Gleichspannungswandler, die von der Aufwärts-/Abwärts-wandlerschaltung abgeleitet wird. Sperrwandler werden für Anwendungen mit geringer Stromaufnahme und niedrigen Kosten verwendet und können auch für mehrere Ausgänge ausgelegt sein. Der Sperrwandler-Transformator arbeitet tatsächlich als gekoppelte Induktivität, bei der sich der Strom in der Primärwicklung auf einen Spitzenwert aufbaut und dann während des Sperr-Intervalls des Leistungs-MOSFETs in der Sekundärwicklung abklingt.

Gekoppelte Induktivitäten bieten die Möglichkeit, als kompakter Transformator eingesetzt zu werden. Da im Kern der gekoppelten Induktivitäten kein Luftspalt vorhanden ist und bei Auswahl einer geeigneten Komponente die Streuinduktivität gering ist, weist das Sperrwandler-Verfahren in diesem Fall einen sehr geringen Streufluss auf. Damit sind die Überschwinger am Drain des Leistungs-MOSFETs sehr gering.

Dies hat den Vorteil, dass die RCD-Schaltung (Snubber), abhängig von den parasitären Kapazitäten des Leistungs-MOSFETs, verkleinert oder ganz eingespart werden kann. Aufgrund des fehlenden Luftspalts in der Induktivität muss darauf geachtet werden, dass der Transformator nicht in die Sättigung getrieben wird. Abhängig vom Wicklungsverhältnis N1: N2 der gekoppelten Induktivität bzw. des Transformators kann eine hohe Ausgangsspannung UA erreicht werden.

Single Ended Primary Inductor Converter (SEPIC)

Steckbrief 2: SEPIC-Wandler

In den vergangenen Jahren hat die Verwendung von Wandlerschaltungen, die sowohl als Aufwärts- als auch als Abwärtswandler an ihrem Ausgang Spannungen erzeugen können, die über und unter der Eingangsspannung liegen, an Bedeutung gewonnen. Das ist auf die Zunahme an tragbaren elektronischen Geräten zurückzuführen, die Akkus verwenden.

Dort ist ein Hoch- oder Tiefsetzen der Eingangsspannung erforderlich, um die starken Schwankungen während des Entladens des Akkus auszugleichen. Die in Bild 3 dargestellte SEPIC-Schaltung ist nicht die effizienteste oder kostengünstigste Version der SEPIC-Schaltungen, sie weist jedoch mehrere Vorteile auf: Einen nicht invertierten Ausgang, eine geringe Eingangsstromwelligkeit und einen Ausgang mit Kurzschlussschutz.

In der Schaltungsentwicklung mit getrennten Induktivitäten L1 (N1) und L2 (N2) hat der SEPIC-Wandler klare Nachteile. Ein Nachteil ist die erhöhte Belastung des MOSFET-Schalters, ein anderer die hohe Welligkeit des Ausgangsstroms. Wenn der MOSFET T1 eingeschaltet ist, lädt sich die Induktivität N2 auf und der Ausgangsstrom wird vom Kondensator CA geliefert. Infolgedessen »sieht« der Ausgangskondensator eine große Stromwelligkeit und er muss den maximalen Effektivstrom verarbeiten können.

Die SEPIC-Schaltung nach Bild 3 mit einer gekoppelten Induktivität bietet dagegen deutliche Vorteile. Der Kondensator CK isoliert den Eingang vom Ausgang und schützt vor Kurzschluss am Ausgang. Wenn N1 und N2 eng gekoppelt sind, wird die Stromwelligkeit (Ripple) zwischen ihnen aufgeteilt und die erforderliche Induktivität wird halbiert. In einigen Anwendungen ist es so möglich, eine Stromwelligkeit von nahe null zu erreichen.

Dieses Konzept führt auch zu einer einfacheren EMV-Filterung und einem kleineren Eingangskondensator. Zusätzlich kann der Gleichstromwiderstand RDC der Induktivitäten reduziert werden. Zum Beispiel können zwei einzelne Induktivitäten durch eine gekoppelte mit dem halben Induktivitätswert ersetzt werden. Dadurch kann entweder eine Induktivität mit kleinerer Bauform ausgewählt werden, oder bei gleicher Größe wird eine Induktivität mit einem niedrigeren Gleichstromwiderstand RDC eingesetzt, die zugleich eine höhere Strombelastbarkeit bietet.

Abwärtswandler mit mehreren Ausgängen und galvanischer Trennung

Steckbrief 3: Sperrwandler und Abwärtswandler

Als Kombination aus Sperrwandler und Abwärtswandler mit Synchrongleichrichter verbindet die in Bild 4 dargestellte Schaltung eines Abwärtswandlers mit mehreren Ausgängen die Vorteile beider Schaltungen, um eine einfache galvanische Isolation des Ausgangs zu erreichen. Der Abwärtswandler hat ausgangsseitig eine Filterinduktivität, die dafür sorgt, dass an die Last eine gleichmäßige Wellenform für den kontinuierlichen Strom geliefert wird.

Im Gegensatz zum Sperrwandler verhindert ein Abwärtswandler ein Überschwingen und Nachschwingen der Schaltknotenspannung, die hauptsächlich durch die Streuinduktivität erzeugt wird. Durch die Beseitigung dieses Überschwingens werden die Spannungsfestigkeit gegenüber Eingangsstörungen (Bursts) erhöht und die Störemissionen deutlich verringert, insbesondere im Frequenzbereich von 50 MHz bis 300 MHz.

Im Allgemeinen enthalten Spannung und Strom im Vergleich zum Sperrwandler ein geringeres Oberwellenrauschen, was den Wirkungsgrad erhöht, indem Schaltverluste – einschließlich der Verluste der Substratdiode aufgrund der Sperrverzugszeit – reduziert werden. Trotzdem ist der Eingang nicht von den schaltenden Leistungs-MOSFETs entkoppelt, d.h. sie sind auch den Eingangsstörungen ausgesetzt.

Daher enthält der Eingangsstrom einen hohen Anteil an Harmonischen (Oberwellen), die Rauschen bzw. Störungen in das gesamte Gerät abgeben. Eine effiziente Entkopplung des Eingangs ist unvermeidlich. Aus diesem Grund ist der Kondensator am Eingang (CE in Bild 4) ein entscheidender Teil der Schaltung, und im Allgemeinen ist eine zusätzliche Induktivität erforderlich, um die Störungen am Eingang des Wandlers weiter zu reduzieren.

Ein isolierender Abwärtswandler – Texas Instruments bezeichnet ihn als Fly-Buck – ist eine angepasste Abwärtswandlerschaltung. Dabei wurde die Leistungsinduktivität eines Abwärtswandlers mit Synchrongleichrichter durch eine gekoppelte Induktivität ersetzt und die Ausgangsspannung der gekoppelten sekundären Induktivität durch eine eigene Diode und einen eigenen Kondensator gleichgerichtet (Bild 4).

Dadurch wird die Wandlerschaltung vielseitig und bietet eine Reihe von Konfigurationen, die invertierte und eine beliebige Anzahl von isolierten, sekundären Ausgängen umfassen können. Darüber hinaus sind mit einem isolierenden Abwärtswandler Stromversorgungen <10 W mit mehreren Ausgangsspannungen kostengünstig realisierbar. Sie benötigen wenige Komponenten und sind relativ einfach zu konstruieren.

Der Abwärtswandler mit mehreren Ausgängen wird in vielen verschiedenen Anwendungen verwendet, vor allem dort, wo eine galvanisch getrennte lokale Stromversorgung benötigt wird, wie zum Beispiel zur Versorgung von Gate-Treibern, Operationsverstärkern und isolierenden Kommunikationsschnittstellen. Ein galvanisch trennender Abwärtswandler ist eine gute Wahl für Anwendungen, bei denen ein niedriges Profil, eine geringe Anzahl von Bauteilen, eine geringe Leiterplattengröße und keine auf einem Optokoppler basierenden Rückkopplung für die Regelschleife erforderlich sind.

Je nach gewünschter Anwendung können für diesen Gleichspannungswandler verschiedene gekoppelte Induktivitäten verwendet werden:

  • Kleine Doppeldrossel mit 1,5 kV Isolation zwischen den Wicklungen, magnetisch abgeschirmt, mit 1:1-Übersetzungsverhältnis, z.B. Typ: WE-DPC HV von Würth Elektronik eiSos.
  • Flache, gekoppelte Induktivität mit 2 kV Isolation zwischen den Wicklungen, magnetisch abgeschirmt, mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1, z.B. Typ: WE-TDC HV von Würth Elektronik eiSos.
  • Mehrlagige (multi-turn) gekoppelte Induktivität mit 0,8 kV Isolation zwischen den Wicklungen, magnetisch geschirmt und mit verschiedenen Übersetzungsverhältnissen lieferbar, z.B. Typ: WE-MTCI von Würth Elektronik eiSos.