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DC/DC-Wandler

Schalten bei Nullspannung revolutioniert Abwärtswandler

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Buck-Wandler mit Klemmschalter über der Ausgangsdrossel

Die ZVS-Buck-Topologie (Bild 1) ist identisch mit einem konventionellen Buck-Regler, mit Ausnahme des zusätzlichen Klemmschalters über der Ausgangsdrossel. Die in der Drossel gespeicherte Energie wird genutzt, um ein Schalten bei Nullspannung zu bewerkstelligen.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS 21/2015 erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

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Der ZVS-Schaltzyklus umfasst drei Hauptzustände: Q1 – Ein, Q2 – Ein und Klemmphase. Nach dem Einschalten von Q1 steigt der Strom durch die Ausgangsinduktivität von Null auf einen Maximalwert, der durch die Einschaltzeit von Q1, die Spannung über der Drossel (Vin – Vout) und die Induktivität bestimmt wird. In der Drossel wird Energie gespeichert und der Ausgangskondensator wird geladen. Während dieser Phase tritt der größte Anteil der Verlustleistung im Rdson des MOSFETs auf.

Danach schaltet Q1 schnell aus, Q2 schaltet ein und agiert als Freilaufdiode für den Fluss der in der Drossel gespeicherten Energie zur Last und zum Ausgangskondensator. Durch die L-C-Serienschaltung sinkt der anfängliche Strom gemäß den Schwingkreiseigenschaften und wird sich zu einem bestimmten Zeitpunkt umkehren. Wenn Q1 abschaltet entstehen Verluste, die proportional zu dem maximalen Strom in der Induktivität sind.

Die ZVS-Buck-Topologie arbeitet grundsätzlich im lückenden Betrieb (Discontinuous Mode). Ein wichtiger Punkt jedoch ist, dass der Synchron-MOSFET Q2 für eine längere Zeit als erwartet im ON-Zustand bleibt, und zwar über den Zeitpunkt hinaus, bei dem der Strom zu Null wird und sich dann umkehrt. In dieser kurzen Zeit des Rückstromes wird etwas Energie in der Drossel gespeichert. Die Steuerschaltung des Wandlers bestimmt die Höhe der gespeicherten Energie gemäß der für den nächsten Zyklus benötigten Menge. Dies wird durch verschiedene Parameter bestimmt, u.a. auch durch Eingangsspannung und Ausgangslast.

Wenn der Synchron-MOSFET letztendlich abschaltet, schaltet der Klemmschalter ein, lässt den Strom der Drossel weiterfließen und erhält damit die in der vorherigen Phase gespeicherte Energie, bevor der nächste Schaltzyklus beginnt. Man sollte beachten, dass während dieser Klemmphase Q2 ausgeschaltet ist, es kommt also nicht zum Stromfluss in der Body-Diode und damit auch zu keinen Verlusten durch das Ausräumen von Ladungsträgern.

Am Ende der Klemmphase wird der Klemmschalter wieder geöffnet. Jetzt kommt ein anderer Resonanzvorgang ins Spiel. Die in der Drossel gespeicherte Energie fließt in den von der Drossel und der Parallelschaltung der Ausgangskapazitäten von Q1 und Q2 gebildeten Resonanzkreis. Am Knotenpunkt VS entsteht der erste Teil einer Sinusschwingung, die diesen Punkt in Richtung Vin verschiebt. Nach einem entsprechenden Zeitverlauf, der durch die Steuerung berechnet wird, schaltet Q1 zu dem Zeitpunkt ein, wenn die Spannung an VS nahezu identisch mit der Eingangsspannung ist. Dies minimiert nicht nur die Schaltverluste, sondern durch den geringen Drain-Source-Spannungsunterschied auch den Miller-Effekt.

Beim Einschalten des oberen MOSFETs fällt der Miller-Effekt weg und dessen Treiber kann kleiner und weniger leistungsstark sein. Außerdem muss er nicht besonders schnell einschalten, was zu gleichmäßigeren Kurvenformen mit weniger Störungen führt.

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