LLC-Topologie mit 2 kW Leistung und 97% Wirkungsgrad

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ET System electronic GmbH

TRACO ELECTRONIC GMBH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Fairchild Semiconductor

Die Regelung der Ausgangsspannung erfolgt grob gesagt über die Veränderung der Schaltfrequenz des Wandlers, wobei für eine geringere Ausgangsleistung die Frequenz ansteigt. Zur Erzielung eines guten Wirkungsgrads bei mittleren und kleinen Lasten sind daher Leistungsschalter mit niedrigsten Schaltverlusten erforderlich. Die Ausgangsspannung wird auf der Sekundärseite mit Hilfe von zwei Doppeldioden in Stromdoppler-Topologie gleichgerichtet und zweistufig gefiltert. Ein weiterer Optokoppler dient dazu, die Regelschleife für die Ausgangsspannung zu schließen. D

urch die hohe Schaltfrequenz kann die Bandbreite der Regelung erweitert werden, wodurch sich ein besseres dynamisches Verhalten und schnellere Ausregelung von Transienten ergibt. Dies kann insbesondere auch dazu verwendet werden, für eine maximale vorgegebene Ausgangsspannungswelligkeit die Kondensatoren am Ausgang zu reduzieren, da die Ladung zur Kompensation eines Lastsprungs auch durch den Regler bereitgestellt werden kann, anstelle durch große Kondensatoren. Dies verbessert weiter die Zuverlässigkeit der Stromversorgung.

Deutlich geringere Verluste im Leistungsschalter

Bipolartransistoren in Silizium-Karbid weisen wesentlich geringere Schaltverluste auf als alle anderen Transistoren aus SiC oder Silizium mit vergleichbarer Durchbruchsspannung. Insbesondere sind sie gegenüber bisher verwendeten Silizium-IGBTs um ca. 75% verringert. Aufgrund der sehr niedrigen Schaltverluste kann die Schaltfrequenz erhöht werden, was auf Systemebene dazu führt, dass die induktiven Komponenten und Kondensatoren kleiner gewählt werden können, was insbesondere in den Spulen und im Transformator die resistiven Verlustanteile in den Wicklungen reduziert. Dies ist auch beim EMI-Filter am Eingang gegeben, da dieser für höhere Schaltfrequenzen ausgelegt werden kann. Dies muss nicht unbedingt ein Vorteil sein, da für industrielle dreiphasige Netze mitunter kein bestimmter Leistungsfaktor vorgeschrieben ist, für die Installation in größeren Netzen ist ein guter Leistungsfaktor aber auf jeden Fall von Vorteil.

Hinzu kommt, dass diese Transistoren auch die geringsten Leitungsverluste aufweisen. Der in der hier vorgestellten Stromversorgung verwendete FSICBQ017A120 weist bei 1200 V Durchbruchsspannung einen Einschaltwiderstand von nur 17 mΩ auf, um Faktoren geringer als andere Bauelemente wie JFETs oder MOSFETs in SiC. Damit kann die Verlustleistung in den Leistungsschaltern der Stromversorgung sehr deutlich reduziert werden. Insbesondere gegenüber IGBTs in Silizium, die eine Sättigungsspannung von 1,3 bis 1,6 V bei Nennstrom aufweisen können, sind die Leitungsverluste dramatisch kleiner. Beim Vergleich mit dem FGA40N120T, einem schnell schaltenden 1200-V-IGBT, und einem Nennstrom von 2,5 A, sind die Leitungsverluste des SiC-BJTs weniger als 4% des IGBTs.

Durch die hohe erzielbare Schaltfrequenz in diesem Konverter ist der Aufbau sehr kompakt. Im Leistungsbereich von 300 W bis 2 kW liegt die Schaltfrequenz des in Bild 2 dargestellten Prototypen in einem Bereich von 270 bis 300 kHz. Die roten Kondensatoren bilden den Eingangsfilter, direkt darüber sind die beiden Treiber-Platinen für die in einer Halbbrücke angeordneten SiC-Bipolartransistoren.

Am Kühlkörper sind neben den SiC-BJTs auch die sekundärseitigen Gleichrichter platziert. In der Mitte befindet sich die Leistungsspule (blau) sowie der Transformator für die eigentliche LLC-Stufe. Der Platzbedarf insbesondere für die passiven Komponenten sowie den Kühlkörper sind, gemessen an der Ausgangsleistung, äußerst moderat. Insbesondere wurden für diese Schaltung keine Elektrolytkondensatoren auf der Primärseite benötigt, die häufig ein Lebensdauer-begrenzendes Element darstellen.

BJT-Treiberverluste spielen in der Praxis keine große Rolle

Bild 3 zeigt den Wirkungsgrad der Stromversorgung über den Ausgangslastbereich. Der erzielte Spitzenwirkungsgrad liegt bei ungefähr 97%, wobei eine weitere Optimierung der passiven Komponenten noch eine leichte Verbesserung bringen dürfte. Es ist ebenfalls zu sehen, dass der Wirkungsgrad bei Volllast am besten ist, daher ist anzunehmen dass auch noch höhere Ausgangsleistungen, wie sie beispielsweise in einem Anlaufbetrieb oder Störfall auftreten können, sicher geliefert werden können.

Bei sehr kleinen Lasten ist der Wirkungsgrad ebenfalls noch sehr gut, das ist ein Hinweis darauf, dass die oft befürchteten Treiberverluste von Bipolartransistoren in der Realität keine große Rolle spielen. In dieser Schaltung betragen die Treiberverluste bei Volllast ungefähr 1,1 W, oder etwa 0,05% der Ausgangsleistung. Dies ist durchaus vergleichbar mit Treiberverlusten von IGBTs.

Da sich bei LLC-Konvertern üblicherweise das Tastverhältnis im Betrieb nicht stark ändert, sind sie nicht so gut für einen weiten Eingangsspannungsbereich geeignet. Für Stromversorgungen in diesem Leistungsbereich ist allerdings auch ein hoher Leistungsfaktor vorgeschrieben und wichtig, weswegen fast immer eine aktive PFC-Stufe vorgeschaltet wird. In der nächsten Ausbaustufe dieser Stromversorgung wurde der LLC-Konverter mit einer einphasigen PFC-Stufe mit 72 kHz Schaltfrequenz kombiniert, die ebenfalls einen SiC-Leistungsschalter verwendet.

* * Alfred Hesener ist ist Applications & Technical Marketing bei Fairchild Semiconductor/Fürstenfeldbruck.

* Brian Curbo arbeitet im Power Supply System Design bei Fairchild Semiconductor/San Jose.

* Robert Murphy ist ist Design Engineer bei Fairchild Semiconductor/San Jose.

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