Power-Tipps von TI, Teil 14 Der SEPIC-Wandler als effiziente Bias-Stromversorgung

Haben Sie schon einmal daran gedacht, einen Wandler in SEPIC-Topologie (Single-Ended Primary Inductor Converter) als Bias-Stromversorgung einzusetzen? Wenn Sie auf eine galvanische Trennung verzichten können, könnte das durchaus sinnvoll sein.

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Der SEPIC-Wandler bietet nämlich einige Eigenschaften, mit denen er attraktiver ist als ein Sperrwandler ohne galvanische Trennung. So lässt sich beispielsweise das Nachschwingen des MOSFETs und des Ausgangsgleichrichters kontrollieren, was elektromagnetische Störungen (EMI) und Überspannungen wirksam verringern kann.

In vielen Fällen hat dies den Vorteil, dass Sie Bauelemente verwenden können, die niedrigere Nennspannungen aufweisen und infolgedessen kostengünstiger und effizienter sind. Außerdem verbessert sich bei einem SEPIC-Converter mit mehreren Ausgängen die Kreuzregelung zwischen den einzelnen Ausgängen, so dass man auf Längsregler gegebenenfalls ganz verzichten kann.

Bild 1 zeigt einen SEPIC-Converter, der ebenso wie ein Sperrwandler mit eine minimalen Anzahl von Bauelementen auskommt. Im Grunde wäre diese Schaltung ohne C1 nichts anderes als ein Sperrwandler. Dieser Kondensator bewirkt das Festklemmen der Spannungen an den Halbleiterbauelementen, die mit ihm beschaltet sind.

Wird der MOSFET eingeschaltet, dann wird die Sperrspannung an D1 vom Kondensator über den MOSFET festgeklemmt. Wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet wird, steigt die Drain-Spannung, bis D1 leitet. Während der Ausschaltzeit wird die Drain-Spannung des MOSFETS von C1 über D1 und C2 festgeklemmt.

SEPIC-Wandler mit mehreren Ausgängen

Bei einem SEPIC-Wandler mit mehreren Ausgängen müssen die Wicklungsverhältnisse eine Voraussetzung erfüllen: Eine der Sekundärwicklungen muss ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 gegenüber der Primärwicklung aufweisen und mit C1 beschaltet sein. In der Beispielschaltung in Bild 1 hat die 12-Volt-Wicklung ein Übersetzungsverhältnis von 1:1, aber man hätte stattdessen auch die 5-Volt-Wicklung verwenden können.

Die Schaltung in Bild 1 wurde aufgebaut und getestet. Sie wurde sowohl als SEPIC-Wandler (mit C1) und als Sperrwandler (ohne C1) betrieben. Bild 2 zeigt die MOSFET-Überspannungen in beiden Betriebsarten. Im Sperrwandler-Modus stieg die Drain-Spannung des MOSFETs auf fast 40 Volt, während sie im SEPIC-Modus nur 25 Volt erreichte. In einer Sperrwandlerschaltung müsste man also einen 40-Volt- oder 60-Volt-MOSFET einsetzen, während bei der SEPIC-Lösung ein MOSFET für nur 30 Volt ausreichen würde.

Darüber hinaus wäre das hochfrequente Nachschwingen (> 5 MHz) problematisch in Bezug auf die EMI-Filterung. Die Kreuzregelung der beiden Schaltungen wurde gemessen, wobei der SEPIC ein wesentlich besseres Verhalten zeigte. In beiden Schaltungen wurden die 5-Volt-Ausgänge auf 5,05 Volt gehalten, die Lastströme von Null bis auf Volllast variiert und die Eingangsspannung auf 12 oder 24 Volt eingestellt.

Die 12 Volt blieben beim SEPIC innerhalb einer Regelungsbandbreite von 10 Prozent, während die 12 Volt beim Sperrwandler auf 30 Volt stiegen (hohe Eingangsspannung, 12-Volt-Ausgang unbelastet, 5-Volt-Ausgang unter Volllast). Die Wirkungsgrade beider Konfigurationen waren gleich, aber die Wahl wäre auf den SEPIC-Converter gefallen, wenn die Leistungsbauelemente anhand der niedrigeren Überspannungen gewählt worden wären.

Zusammengefasst lässt sich sagen, dass der SEPIC-Wandler eine nützliche Topologie für Stromversorgungen ist, bei denen es nicht auf eine galvanische Trennung ankommt. Sie begrenzt die MOSFET-Überspannung auf einen Wert, der gleich der Eingangsspannung plus der Ausgangsspannung ist, und eliminiert die elektromagnetischen Störungen, die ein Sperrwandler erzeugt.

Die geringeren Überspannungen gestatten unter Umständen die Verwendung von Bauelementen mit niedrigeren Nennspannungen, so dass der Wirkungsgrad der Stromversorgung steigt und die Bauteilkosten sinken. Zudem vereinfacht das günstigere Störverhalten die EMV-Prüfung des endgültigen Produkts. Bei einer Konfiguration als Spannungsversorgung mit mehreren Ausgängen verbessert sich schließlich auch die Kreuzregelung im Vergleich zu einem Sperrwandler.

Ich hoffe, Sie sind auch nächstes Mal wieder dabei, wenn wir uns mit einer einfachen und kostengünstigen LED-Treiberschaltung beschäftigen wollen.

Quellenangabe

“No need to fear: SEPIC outperforms the flyback”, John Betten and Robert Kollman, Power Management DesignLine, 25. Januar 2006.

* * Robert Kollman ist Senior Applications Manager und Distinguished Member of Technical Staff bei Texas Instruments.

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