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Getaktete Stromversorgungen

Digitalisiertes Schaltnetzteil mit hybrider Regelung

30. August 2018, 11:15 Uhr | Von Giovanni Rodio und Thorsten Gatzka

Analoge Schaltnetzteile haben sich durch Schnelligkeit und Zuverlässigkeit bewährt. Digitale Regelungen punkten mit Adaptivität und Wirkungsgrad. Der Kunde möchte beides haben – und das geht tatsächlich, mit kombinierten analogen und digitalen Schaltungsteilen.

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Seit kurz nach der Jahrtausendwende die ersten kommerziell erhältlichen, voll digitalen Reglerbausteine für getaktete Stromversorgungen in die Hände der Entwickler gelangt sind, entfachten sich rege Diskussionen, welcher Technologie die Zukunft gehöre. Auf der einen Seite die »Analogen Cowboys«, die auf analoge Reglerstrukturen eingeschworen sind, wie sie seit Ende der 60er Jahre im Bereich der getakteten Stromversorgungen entwickelt worden sind. Auf der anderen Seite die »Digitalen Cybernauten«, in deren Umfeld das hohe Lied von Differenzialgleichungen, Z-Transformierten und adaptiver Regelung angestimmt wird. Gemeinsames Ziel der beiden Parteien ist das ideale Netzteil: Dynamisch, stabil und höchste Effizienz in allen Betriebsarten. Welches Konzept bietet nun dem Anwender eine nahezu ideale Stromversorgung – bei geringen Kosten und hoher Liefersicherheit?

Autronic entwickelt und produziert seit über vier Jahrzehnten Stromversorgungen mit hohem Wirkungsgrad und hoher Zuverlässigkeit. Die Produktpalette umfasst sowohl Standardprodukte als auch kundenspezifisch entwickelte Stromversorgungen. Die exakte und dynamische Regelung dieser getakteten Systeme gehört zu den Kernkompetenzen des Entwicklerteams.

Analoge, digitale oder hybride Regelung?

Selbst die ersten Schaltnetzteile, die ausschließlich auf analogen Baugruppen basierten, berühren aufgrund der Tatsache, dass sie Schaltfunktionen verwenden müssen, bereits den Bereich der diskreten Regelungstechnik. Es wurden daher einige Werkzeuge, z.B. die State-Space-Averaging-Technik entwickelt, um das diskrete Schaltverhalten wieder in den rein analogen Regelungsraum zurückzuholen. Diese Werkzeuge liefern in ihrem Geltungsraum ausgezeichnete Ergebnisse. Jedoch müssen für die Anwendung dieser Techniken Kompromisse eingegangen werden. Sehr oft bedeutet das, begrenzende Eingriffe in die mögliche Dynamik des Reglers vorzunehmen, z.B. durch eine teilweise recht restriktive Frequenzgangkorrektur oder die Verwendung einer geringeren, offenen Schleifenverstärkung, als dies aus Sicht der Genauigkeit wünschenswert wäre.

Den direkten Durchgriff des Reglers auf die Leistungskomponenten, höchste Dynamik und ein adaptives Verhalten auf die Regelstrecke versprechen dagegen die neuen, digitalen Regelungsansätze. So können z.B. Pole und Nullstellen des Regelkreises neu programmiert und die Reglerstruktur (Typ-I-, II- oder III-Verhalten bezüglich der Frequenzgangkompensation) frei gewählt und sogar im Betrieb modifiziert werden, wo bei der analogen Variante doch des Öfteren zum Lötkolben gegriffen werden muss. Zudem ist es möglich, gerade für hohe Wirkungsgrade im Schwachlastbereich, z.B. die Schaltfrequenz dynamisch zu verringern. Werden komplexere Schaltnetzteil-Topologien gewählt oder kommt eine synchrone, sekundäre Gleichrichtung zum Einsatz, kann das Verhalten der Schalter flexibler gestaltet werden, z.B. die Umschaltung auf reinen Dioden-Gleichrichterbetrieb, um Rückspeisung zu unterbinden oder einen blindleistungfreien Betrieb zu erreichen.