Gefährliches Ungleichgewicht in Halbbrücken vermeiden

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Wenn der Fehlerfall eintritt und die Schaltung versagt

In der Praxis wird bei einer im Current-Mode betriebenen Halbbrücke ein Stromwandler mit der Primärwicklung des Übertragers in Reihe geschaltet (Bild 3). Die zum Stromwandler gehörenden Dioden und der Widerstand erzeugen das Stromsignal für das Controller-IC (z.B. UCC2824). Das IC überwacht die Ausgangsspannung und erzeugt hieraus ein Fehlersignal, das darüber entscheidet, an welchem Punkt des Stromsignals die Schalter abschalten.

Die Situation ändert sich, sobald die Spannungen an Ca und Cb nicht mehr gleich sind. Die Spannung an diesem Verbindungspunkt ist dann nicht mehr Vin/2, woraufhin die Schaltung durchgeht und ihre Funktion einstellt. Zur Illustration sei angenommen, dass die Spannung am Verbindungspunkt zwischen Ca und Cb um 1 V zunimmt. Welche Folgen hat dies, wenn Qa gerade einschaltet?

Ca und Cb sollen eine unendlich hohe Kapazität haben, sodass sich der Spannungsabfall an beiden Kondensatoren nicht ändert. Außerdem, so die weitere Annahme, soll die Ausgangsspannung konstant bleiben.

Da die Spannung an der Verbindung zwischen den Kondensatoren um 1 V höher ist, wird die Spannung an der Ausgangsdrossel geringer, während Qa eingeschaltet ist. Die Änderungsrate (di/dt) des Drosselstroms sinkt und es dauert länger, bis der Strom den Schaltpunkt erreicht.

Wenn bei 10 µs das Ende des Zyklus erreicht ist und Qb einschaltet, ist der verbleibende Strom in der Ausgangsdrossel höher als wenn Gleichgewicht herrscht, da Qa länger eingeschaltet war. Die Ausgangsdrossel hatte also nicht so viel Zeit zum Entladen wie bei ausgeglichenen Verhältnissen (siehe Bild 4, wo bei 10 µs 24,37 A anstatt 23,75 A gemessen werden).

Wenn jetzt Qb einschaltet, ist die Spannung an der Primärwicklung gleich der Spannung am Verbindungspunkt von Ca und Cb und somit um 1 V höher als zuvor. Die Anstiegsrate des Stroms ist deshalb ebenfalls höher als im ausgewogenen Zustand.

Da der Anfangsstrom mit 24,37 A anstelle von 23,75 A höher ist und auch die Anstiegsrate di/dt höher ist als wenn Qa einschaltet, wird der resultierende Spitzenstrom wesentlich schneller erreicht. Wie Bild 4 deutlich macht, gelangt im ersten Zyklus mehr Ladung in die Kondensatoren als aus ihnen herausfließt. Setzt man für Ca und Cb keine unendlich hohe Kapazität an, wird die Spannung an der Verbindungsstelle am Ende des ersten Zyklus sogar noch höher sein.

Die Situation verschärft sich

Wenn das On-Intervall von Qb kürzer ist, kann die Ausgangsdrossel länger im ‚Freilauf‘-Modus bleiben (während Qb bereits ab-, aber Qa noch nicht eingeschaltet hat). Wenn die Periode für den Qb-Impuls endet, ist der Strom in der Ausgangsdrossel deshalb noch niedriger als im vorigen Zyklus (22,9 A anstatt 23,75 A).

Im nächsten Zyklus verschärft sich die Situation weiter, und im dritten Zyklus ist Qa bereits während der gesamten 10 µs eingeschaltet, Qb dagegen nur noch einen winzigen Moment. Die logische Folge ist, dass der Übertrager in die Sättigung gerät und es zum Oszillieren kommt. Da der Übertrager ein Windungsverhältnis von 1:1:1 hat, lässt sich der Strom in den einzelnen Transistoren wie in Bild 5 auftragen.

In einer realen Schaltung, in der Ca und Cb endliche Kapazitätswerte haben, bewirkt der Stromfluss in die Verbindung zwischen den Kondensatoren, dass die Spannung an diesem Punkt noch weiter steigt und der Wandler noch schneller ausfällt.

Dies macht deutlich, dass selbst ein geringfügiges Strom-Ungleichgewicht eine positive Rückkopplung zur Folge hat und unweigerlich zum Versagen der Schaltung führt.

Die Beseitigung des Ungleichgewichts

Die allgemein akzeptierte Abhilfe gegen das geschilderte Problem besteht darin, den Leistungsübertrager und den Stromwandler durch je eine zusätzliche Wicklung zu ergänzen und zwei zusätzliche Dioden (CrQa und CrQb) einzufügen. In diesen zusätzlichen Wicklungen und Dioden fließen nur geringe Ströme. Bild 6 zeigt die modifizierte Schaltung.

Die Wicklung auf dem Leistungsübertrager besteht aus Draht mit geringerem Querschnitt, ist allerdings mit der Primärwicklung gekoppelt. Die Windungszahl ist identisch mit der der Primärwicklung. Die Polung ist aus Bild 6 zu entnehmen. Die Wicklungen des Stromwandlers sind so gewählt, dass Ströme durch die Dioden CrQa und CrQb von den Strömen, die durch die Transistoren Qa und Qb fließen, subtrahiert werden.

Es sollen die gleichen Bedingungen herrschen wie im vorigen Fall. Die Polung sorgt jedoch dafür, dass die Spannung an der Verbindung zwischen den Dioden CrQa und CrQb in Richtung Masse gezogen wird, ohne dass jedoch CrQb leitend wird.

Wenn aber Qb einschaltet, bewirkt die Spannung an der Primärwicklung eine Spannung, deren Polarität entgegengesetzt zu der der Spannung an der neuen Wicklung ist. Diese addiert sich zur Spannung an der Verbindung zwischen Ca und Cb, wodurch die Spannung an der Verbindung zwischen CrQa und CrQb um mehr als einen Dioden-Spannungsabfall über Vin angehoben wird. Jetzt fließt deshalb ein Strom aus den beiden Kondensatoren an Vin durch die neue Wicklung, während ein gleich großer Strom entgegengesetzter Polarität über die Primärwicklung und Qb aus den Kondensatoren zur Masse fließt. Beide Ströme bewirken, dass die Spannung am Verbindungspunkt von Ca und Cb geringer wird. Der Strom, der über die Diode und den Stromwandler zur Eingangsspannungsquelle fließt, hebt außerdem den gleich großen Strom auf, der über die Primärwicklung und den Stromwandler fließt.

Das vom Stromabtast-Widerstand kommende Signal gibt somit die Differenz zwischen diesen beiden Strömen wieder, die genau dem Ausgangsstrom des Leistungsübertragers entspricht.

In der Praxis wird die Spannung an der Verbindung zwischen den beiden Kondensatoren nie so weit aus dem Gleichgewicht geraten wie für diesen theoretischen Fall beschrieben. Vielmehr erfolgt in jedem Zyklus eine automatische Angleichung durch die natürliche Funktion der Schaltung. Das Problem mit dem Wandern bzw. dem Ungleichgewicht der Spannung an den Kondensatoren in einer Halbbrücken-Schaltung wird damit gelöst.

* * John Bottrill ist Senior Applications Engineer bei Texas Instruments in Manchester (New Hampshire/USA).

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