DC/DC-Wandler Mit moderner Wandlertechnologie zur „grünen“ Stromversorgung

„Grüne“ Stromversorgungen liegen voll im Trend. Deshalb suchen Entwickler ständig möglichst energieeffiziente DC/DC-Wandler. Wir verraten Ihnen, worauf es bei „grüner“ Wandlertechnologie ankommt.

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Die in einer Stromversorgung angewandte Technologie muss genau definierte Ziele erreichen. Für die Systemingenieure bedeutet dies, aus den verfügbaren Möglichkeiten verstärkt das Maximale in Sachen Leistungsfähigkeit, Wirkungsgrad, Leistungsdichte und Kosten herauszuholen. Der vorgegebene Wirkungsgrad wird allerdings nicht allein von den thermischen Eigenschaften des zu versorgenden Systems bestimmt, sondern ebenso von Faktoren wie Gesamtkosten bei der Produktion und im Betrieb, wobei verstärkt auch gesetzliche Regelungen zum Tragen kommen.

Stromversorgungen werden nicht nur von Leistung und Spannung bestimmt

Damit gehen die Anforderungen an eine Stromversorgung weit über einfache Parameter wie Leistung und Spannung hinaus. Punkte wie Lastregelung über den gesamten Eingangsspannungs- und Lastbereich, Reaktion auf schnelle Laständerungen sowie abgestrahlte und leitungsgebundene Störer müssen beachtet werden. In kompakten Systemen spielt die Leistungsdichte eine tragende Rolle.

Für die Stückliste waren schon immer die Kosten pro Watt der Stromversorgung ein dominanter Faktor. Nun bekommen aber die Energiekosten pro Jahr eine immer gewichtigere Bedeutung vor allem für Systeme, die ständig in Betrieb sind. Darüber hinaus muss auch der Stromverbrauch im Leerlauf oder Standby-Betrieb beachtet werden, da er einen nicht unerheblichen Faktor bei den Energiekosten ausmacht. Moderne Stromversorgungen erfüllen diese Anforderungen, indem sie auf neuesten Technologien für DC/DC-Wandler basieren.

Kompakte DC/DC-Wandler ermöglichen lokale DC-Bussysteme

Bei klassischen Stromversorgungen wurden früher alle benötigten Spannungen an einem Ort erzeugt und von dort an die verschiedenen Lasten verteilt, bis in den frühen 80er Jahren kompakte DC/DC-Wandler auf den Markt kamen. Nun konnten lokale DC-Bussysteme aufgebaut werden, die deutlich höhere Gesamtwirkungsgrade erreichten als herkömmliche Lösungen. Diese Wandler ermöglichten eine komplett neuartige Verteilung der Leistung im System. Eine zentrale Stromversorgung erzeugt dabei eine relative hohe Busspannung, die dann im System verteilt wird. Mit mehreren DC/DC-Wandlern wird dann möglichst nah bei der Last aus dieser Spannung die jeweils benötige Lastspannung generiert. Diese Methode wurde immer wieder verbessert, der DC/DC-Wandler ist und bleibt aber immer das Herzstück dieser Technologie.

Erste DC/DC-Wandler hatten einen Wirkungsgrad um 70%

Wie bei vielen revolutionären Technologien hatten auch die DC/DC-Wandler der ersten Stunde einige signifikante Designeinschränkungen, die hauptsächlich von den damals verfügbaren Bauelementen bestimmt wurden. So war der maximal mögliche Wirkungsgrad begrenzt und Werte um 70% wurden schon als sehr gut bezeichnet. Das waren sie damals sicher auch, denn die Alternative waren Linearregler, die vor allem bei größeren Unterschieden zwischen Ein- und Ausgangsspannung deutlich schlechtere Werte lieferten, da der komplette Spannungsabfall an einem Bauelement erfolgt, sodass die Leistungsverluste direkt proportional zum Produkt aus Spannungsabfall und Ausgangsstrom sind.

Einige der Verluste in der ersten Generation von Wandlern waren bedingt durch die Widerstände in den Leistungshalbleitern. Ein anderer großer Anteil entstand durch die nicht optimale zeitliche Anpassung der Schaltsignale, was den Wirkungsgrad schmälerte, indem ein nicht unerheblicher Teil der im Primärteil entstehenden Blindleistung im Wandler vernichtet wurde. Der dritte Faktor für die niedrigen Wirkungsgrade war die Einschränkung der maximalen Taktfrequenz. Bei jedem Schaltvorgang muss der MOSFET die dabei entstehende Verlustleistung aufnehmen und ist diese ist limitiert. Bedingt durch den niedrigen Wirkungsgrad war die Ausgangsleistung begrenzt.

DC/DC-Wandler der ersten Stunde erzeugten hohe Störspitzen

Ein weiterer Nachteil der ersten Generation von DC/DC-Wandlern waren die beim Schalten entstehenden elektrischen Störspannungen. Beim Schalten der induktiven Bauelemente entstanden große Spitzen auf den Eingangsleitungen und entsprechend aufwändige Filter waren notwendig, um eine Verbreitung dieser Störer im System zu verhindern. Diese Spitzen trugen auch zu einem dritten Nachteil bei, der reduzierten Zuverlässigkeit, besonders der MOSFETs.

MOSFETs mit niedrigen Durchlasswiderständen

Auf der Basis von besseren Bauelementen und Designs wurden mit der zweiten Generation von Wandlern die Probleme von Wirkungsgrad, Störspannungen und Zuverlässigkeit angegangen. Fortschritte in den Halbleiterprozessen brachten MOSFETs mit viel niedrigeren Durchlasswiderständen und damit deutlich reduzierten Verlusten. Die Entwickler erfanden Schaltungen, um die Kurvenform auf der Primärseite so zu ändern, dass durch Kondensatoren ein Resonanzkreis entstand und der Schaltvorhang im primärseitigen MOSFET jeweils zum Nulldurchgang von Spannung und Strom erfolgte. Daher sind diese Wandler als Resonanz- oder „Zero-Crossing“-Topologien (CVS oder ZCS) bekannt. Hiermit wird ein Großteil der Verlustleistung in den Schaltelementen vermieden und die Spitzen bei den Schaltvorgängen reduziert.

Wesentlich bessere DC/DC-Wandler mit Wirkungsgraden bis über 90% waren nun möglich. Gleichzeitig wurden damit auch die Probleme der sehr hohen, beim Schaltvorgang entstehenden Störer in der früheren Generation von Wandlern angegangen. Diese Verbesserungen trugen dazu bei, dass Resonanzwandler in vielen Bereichen der Elektronikindustrie eingesetzt wurden.

Weitere Verbesserungen ermöglichten Wirkungsgrade im unteren 90%-Bereich

Mit der Zeit ermöglichten schrittweise Verbesserungen dieser Topologien mit Schalten bei Nulldurchgang Wirkungsgrade im unteren 90%-Bereich und diese Wandler wurden dadurch zum Arbeitspferd in der Industrie. Allerdings besitzt auch diese Schaltung grundlegende Einschränkungen. Im Betrieb muss die von der Primär- auf die Sekundärseite zu übertragende Energie in der Induktivität des Übertragers gespeichert werden und ist proportional zu LI² (L = Primärinduktivität, I = Strom auf der Primärseite). Für eine vorgegebene Schaltung hat das Energiepaket daher einen festen Wert.

Um die Leistung zu erhöhen, muss die Anzahl der pro Zeiteinheit transferierten Energiepakete erhöht werden. In dieser Konfiguration ist die Ausgangsleistung daher direkt abhängig von der Wiederholfrequenz. Die Schaltfrequenz in ZCS/ZVS-Resonanzwandlern ist daher auf etwa 1 MHz beschränkt, da ein Kompromiss gefunden werden muss zwischen pro Zyklus gespeicherter Energie und der Einhaltung der Bedingungen für Schalten bei Nulldurchgang.

Neue Technologie arbeitet ähnlich wie ein Resonanzwandler

Eine neue Topologie, die Sine Amplitude Converter (SAC) genannt wird, hat oberflächlich betrachtet große Ähnlichkeiten zum Resonanzwandler, die grundsätzliche Funktionsweise ist jedoch völlig anders (Bild 1).

Intermediate Bus Converters (IBCs) basierend auf dieser Schaltung erzielen maximale Wirkungsgrade bis 98%. Anders als Resonanzwandler arbeiten die Sine Amplitude Converter mit einer festen Taktfrequenz, die identisch zur Resonanzfrequenz des primärseitigen Leistungskreises ist. Die FETs auf der Primärseite schalten exakt im Takt der Resonanzfrequenz. Da auch hier der Schaltvorgang bei den Nulldurchgängen erfolgt, werden Schaltverluste vermieden und damit der Wirkungsgrad erhöht. Gleichzeitig wird die Entstehung von Oberwellen drastisch verringert, was eine Reduzierung der am Ausgang benötigten Filter bewirkt.

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