Elektromobilität Entwicklung isolierter Stromversorgungen für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

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Mit immer mehr E-Fahrzeugen steigt der Bedarf an vollständig isolierten Stromversorgungen. Unter den verschiedenen, dafür in Frage kommenden Topologien, bietet der Gegentaktwandler Vorteile.

Das rapide Wachstum bei den Automobilen mit Hybrid- und reinem Elektroantrieb hat dazu geführt, dass der Bedarf an vollständiger galvanischer Isolation in Automobilanwendungen ebenfalls stark zugenommen hat. Die galvanische Isolation hat in Startergeneratoren, Batteriemanagement-Systemen, Bordladegeräten und Traktionswechselrichtern den Zweck, Hoch- und Niederspannungs-Schaltungen voneinander zu trennen. Dabei dient die Isolation in diesen Anwendungen nicht nur der elektrischen Sicherheit, sondern auch dem Schutz empfindlicher Schaltungsteile für den Fall, dass es zu einem Fehler kommt.

Neben der Signalisolation mithilfe von Digitalisolatoren sowie isolierten Transceivern, Verstärkern und Delta-Sigma-Modulatoren benötigen Automobilsysteme auch eine Isolation der Stromversorgung. Bild 1a zeigt exemplarisch ein Automotive-Subsystem mit isolierten Gatetreibern in Traktionswechselrichtern, in denen die isolierte Stromversorgung zur Erzeugung der erforderlichen Vorspannungen benötigt wird. In Bild 1b wiederum ist zu sehen, wie eine isolierte CAN-Schnittstelle (Controller Area Network) in einem Batteriemanagement-System (BMS) von einer isolierten Stromversorgung gespeist wird.

Unter den verschiedenen Topologien, die für eine isolierte Stromversorgung in Frage kommen, bietet der Gegentaktwandler einige Vorteile, die ihn für Automotive-Anwendungen besonders attraktiv machen. Dieser Beitrag geht auf einige hervorstechende Merkmale der Gegentakttopologie ein und erläutert ihre Pluspunkte für die Performance und das Design. Beschrieben wird ferner die Verwendung von Gegentaktwandlern zum Bereitstellen der Vorspannungen für isolierte IGBT-Treiber (Insulated Gate Bipolar Transistor) in Traktionswechselrichtern, für die sich diese Topologie besonders anbietet.

Einfachheit

Bild 2 veranschaulicht die Funktionsweise eines Gegentaktwandlers. In einem Gegentaktwandler dient ein Übertrager zum Transferieren der Energie von der Primär- zur Sekundärseite. Im Gegensatz dazu wird bei anderen Topologien, wie etwa bei Sperrwandlern, die Energie in der ersten Phase des Schaltzyklus in eine Induktivität geladen, von wo sie in der zweiten Phase an den Verbraucher transferiert wird.

In einem Gegentaktwandler arbeiten zwei Schalter (Q1 und Q2) abwechselnd in den aufeinanderfolgenden Zyklen, um die für den Übertrager nötigen Schaltvorgänge auszuführen. Dazwischen wird jeweils eine kurze Totzeit eingefügt, damit es primärseitig zu keinen Kurzschlüssen kommen kann. Die Übertragerwirkung regelt die Ausgangsspannung nach dem Feed-Forward-Prinzip (Vorsteuerung), d.h. ohne Rückmeldung von der Sekundärseite, sodass die Höhe der Ausgangsspannung hauptsächlich durch das Windungsverhältnis des Übertragers bestimmt wird. Solange die Eingangsspannung hinreichend geregelt ist, wird auch die Ausgangsspannung einigermaßen geregelt, ohne dass ein analoges Rückmeldesignal und eine Regelkreisstabilisierung benötigt wird. Sperrwandler dagegen kommen nicht ohne eine analoge Rückmeldung mithilfe eines Optokopplers aus.

Die Gegentaktwandlertopologie ist somit sehr einfach. Neben dem Übertrager und den Leistungsschaltern werden nur Gleichrichterdioden und Bypass-Kondensatoren benötigt. Auch eine zusätzliche Verifikation des Designs zum Stabilisieren der Regelschleife ist entbehrlich.

Effizienz

Wie bereits erwähnt, erfolgt der Energietransfer von der Primär- zur Sekundärseite mithilfe eines Übertragers. Jeweils einer der primärseitigen Schalter ist – wenn man die Totzeit ausklammert – während des gesamten Schaltzyklus leitend. Im Gegensatz zu anderen Topologien ist deshalb der maximale Strom, der durch die Leistungsschalter und den Übertrager fließt, hier nur geringfügig höher als der Laststrom. Niedrigere Scheitelströme aber bedeuten geringere Leitungsverluste (diese sind proportional zum Quadrat des Stroms), sodass der Wirkungsgrad höher ist.

Geringe Störaussendungen

In isolierten Gleichspannungswandlern ist der Wechselstrom, der insgesamt über die Isolationsbarriere fließt, die Hauptursache für das Entstehen elektromagnetischer Störaussendungen (Bild 3). Es gibt stets parasitäre bzw. unerwünschte Kapazitäten (CPAR1 und CPAR2) zwischen den Wicklungen von Seite 1 und Seite 2. Spannungsänderungen an diesen parasitären Kapazitäten führen dazu, dass Ströme über die Isolationsbarriere fließen. Da es aber keinen leitenden Stromweg zwischen den beiden isolierten Massen gibt, wird der Stromkreis über den längeren parasitären Pfad durch die Luft geschlossen, wodurch eine abstrahlende Schleife entsteht. Eine andere Betrachtungsweise ist es, den isolierten Gleichspannungswandler als eine Dipolantenne zu sehen.

Entscheidend für die Bemühungen, die elektromagnetischen Störaussendungen einzudämmen, ist das Reduzieren des Gleichtaktstroms, der unter dem Strich über die Isolationsbarriere fließt. Hierbei hilft symmetrisches Schalten. Massebezogene (Eintakt-)Topologien wie etwa Sperr- oder Durchflusswandler sind prinzipbedingt asymmetrisch. Differenzielle (Gegentakt-)Topologien wie etwa Halb- oder Vollbrücken sind ebenfalls nicht vollständig symmetrisch, da sie entweder komplementäre PMOS- oder NMOS-Schalter enthalten oder den high-seitigen Schalter per Pegelumsetzer ansteuern.

Die Gegentakttopologie ist dagegen prinzipbedingt symmetrisch, denn sie besteht aus zwei identischen low-seitigen Schaltern, einem Übertrager mit primärseitigem Mittenabgriff und einem Brückengleichrichter. (Der in Bild 3 dargestellte Vollbrückengleichrichter anstelle der Halbbrücke in Bild 2 sorgt zusätzlich für Symmetrie.)

Die bei der Gegentakttopologie verwendete, mit einem Mittenabgriff versehene Primärwicklung, deren beide Hälften fest miteinander gekoppelt sind, erzwingen exakt komplementäre Drain-Spannungen an D1 und D2 (?). Dies gilt sogar für den Fall, dass die Schalter Q1 und Q2 nach dem Break-before-Make-Prinzip mit dazwischenliegender Totzeit schalten. Die komplementären Spannungsänderungen bewirken, dass der Strom durch CPAR1 denjenigen durch CPAR2 genau aufhebt, sodass der über die Isolationsbarriere fließende Gleichtaktstrom unter dem Strich null ist. Diese Besonderheit von Gegentaktübertragern ist einer der Gründe für die äußerst geringen abgestrahlten Störaussendungen.

Die niedrigeren Spitzenströme der Gegentakttopologie ergeben zudem geringere induktiv bedingte Störgrößen, wenn Ströme unterbrochen werden. Dies trägt ebenfalls zu geringeren Störaussendungen bei.

Einfachere Auswahl des Übertragers und kleinere Übertragerabmessungen

Da der Energietransfer in Gegentaktwandlern per Übertrager erfolgt, ist die Induktivität der Übertragerwicklungen kein vorrangiges Designkriterium. Der Bereich der geeigneten Primär- und Sekundärinduktivitäten ist groß, solange auf die Einhaltung des gewünschten Windungsverhältnisses geachtet wird. Die Magnetisierungsinduktivität der Primärwicklung führt in jedem Zyklus zum Aufbau eines Stroms, sodass der Wirkungsgrad umso höher ist, je größer diese Induktivität ist. Wichtig zum Eindämmen der Störaussendungen ist auch das Minimieren der Streuinduktivität. Während somit die Konstruktion des Übertragers Einfluss auf den Wirkungsgrad und die Störaussendungen hat, sind die Ausgangsspannung und die Regelkreisstabilität als wirklich wichtige Designaspekte unabhängig vom absoluten Induktivitätswert.

Bei der Gegentakttopologie wird der Aufbau des magnetischen Flusses im Übertragerkern während einer Phase durch die jeweils andere Phase genau aufgehoben. Das Resultat ist ein (bipolarer) Zweiquadrantenbetrieb, wie in Bild 4 gezeigt. Sowohl die magnetische Feldstärke (H) als auch die magnetische Flussdichte (B) wechseln in jedem Zyklus ihre Polarität und durchlaufen die Nulllinie. Weil der magnetische Kern deshalb effizient genutzt wird, können kleinere und kostengünstigere Übertrager gewählt werden.

Höhere Störbeständigkeit

Isolierte Systeme werden mit Gleichtakttransienten konfrontiert, die sich als AC-Spannungsdifferenzen zwischen den beiden Massen äußern. Es kann sich dabei um eingekoppelte Störgrößen wie etwa elektrisch schnelle Transienten oder elektrostatische Entladungen handeln, oder aber um Transienten, die infolge der Schaltvorgänge des high-seitigen FET in einem Wechselrichter entstehen.

Wie Bild 5 illustriert, lassen die Gleichtakttransienten einen Gleichtaktstrom in der Primärwicklung entstehen. Die beiden eng gekoppelten Hälften der Primärwicklung lassen das Entstehen einer Gleichtaktspannung jedoch nicht zu. Der magnetische Fluss, der durch den Strom in der einen Primärwicklung entsteht, hebt den von der anderen Primärwicklung erzeugten Fluss genau auf, sodass ein niederohmiger Pfad zur primärseitigen Stromquelle entsteht. Hierdurch wird verhindert, dass der Gleichtaktstrom die primärseitigen Schalter Q1 und Q2 überlastet und die Funktion der Stromversorgung gestört wird.

Nutzung der Gegentakttopologie in Automotive-Anwendungen

Automotive-Anwendungen profitieren von einfachen Designs, denn Einfachheit ist gleichbedeutend mit Zuverlässigkeit. Überdies sind die Anforderungen hinsichtlich der elektromagnetischen Störaussendungen und der Beständigkeit gegen Transienten im Automobilbereich höher als bei industriellen Anlagen. Wichtig sind auch die kleineren Abmessungen, denn der Platz ist knapp, und auch unnötiges Gewicht sollte in Automotive-Anwendungen vermieden werden. Wird eine isolierte Stromversorgung zum Erzeugen der Vorspannung für einen IGBT-Gatetreiber verwendet, muss sie außerdem hohen Gleichtakttransienten infolge der Schaltvorgänge der IGBTs widerstehen. Aus allen diesen Gründen ist die Gegentakttopologie hervorragend für Automotive-Applikationen geeignet.

Bild 6 zeigt die Verwendung von Gegentaktwandlern (z. B. des Typs SN6505-Q1 von Texas Instruments) als isolierte Stromversorgung für isolierte IGBT-Gatetreiber in einem Dreiphasen-Traktionswechselrichter. Um für mehr Redundanz zu sorgen und das Routing zu vereinfachen, ist jedem der sechs IGBTs eine eigene Stromversorgung zugeordnet. Zum Ein- und Ausschalten der IGBTs kann der Vollbrückengleichrichter Spannungen von +15 V und –15 V erzeugen. In ähnlicher Form kommt dieses Konzept auch für Bordladegeräte in Frage.

Fazit

Einfachheit, hoher Wirkungsgrad, geringe Störaussendungen, hohe Störimmunität und kleine Lösungsabmessungen machen die Gegentakttopologie zu einer guten Wahl für Automotive-Anwendungen. Halbleiterbausteine, die zwei Schalt-FETs enthalten, warten als zusätzliche Vorteile mit geringeren Störemissionen und Fehlerschutz auf.

* Anant Kamath ist Systems Engineer für Isolation Products in der Interface Group bei Texas Instruments.

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