Resonanzwandler/PFC-Controller Schaltungstipp für höheren Wirkungsgrad

Mit dem PFC-Regler L6563 und dem Resonanzwandler-Baustein L6599 lässt sich eine resonant-schaltentlastete Stromversorgung aufbauen, deren Gesamtwirkungsgrad über 90% ist und im Standby eine Leistung von 0,5 W aufnimmt. Applikationsschriften und das Evaluationboard EVAL6599-400W unterstützen die schnelle Entwicklung.

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Die Forderung nach höherer Leistungsdichte bei gleichzeitig kleineren Geräteabmessungen lässt sich nur durch Verbesserung des Wirkungsgrades erreichen. Bei Stromversorgungen sind dazu ganz unterschiedliche und oft scheinbar widersprüchliche Aspekte zu berücksichtigen. Die gewählte Topologie muss in den meisten Fällen eine galvanische Trennung ermöglichen und den geforderten Eingangsspannungsbereich und Lastbereich ausregeln. Zudem soll der Wirkungsgrad über den gesamten Arbeitsbereich hervorragend sein und schließlich wird ein minimaler Standby-Verbrauch (Energieverbrauch im Leerlauf) verlangt. Trotz kompaktem Aufbau sind die Richtlinien für Leistungsfaktor, Netzrückwirkung und EMV einzuhalten. Die nachfolgend beschriebene Beispielschaltung hat eine Ausgangsleistung von 400 W.

Auswahl einer geeigneten Schaltungstopologie

Um die genannten Forderungen zu erfüllen, ist es beinahe unumgänglich, eine aktive Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur (PFC-Schaltung) und einen nachfolgenden hochfrequent taktenden Gleichspannungswandler zu verwenden. Je nach Leistungsklasse der Stromversorgung bietet sich für den PFC (Leistungsfaktor-Controller) bis etwa 250 W der Transition-Mode als einfachstes Schaltungskonzept mit gutem Wirkungsgrad an. Bis rd. 500 W ist der Fixed-off-time-controlled-(FOT-)PFC eine ebenfalls einfache und hocheffiziente Schaltung, die in der Application Note AN1792 von STMicroelectronics detailliert beschrieben wird. Darüber hinaus lässt sich die Continous-current-mode-PFC-Schaltung empfehlen. Für die in unserem Beispiel geforderten 400 W wird daher eine PFC im FOT-Betrieb gewählt.

Für die galvanisch isolierte Gleichspannungswandlung kommen ebenfalls unterschiedliche Topologien in Betracht. Weit verbreitet sind für den Leistungsbereich um 400 W einfache isolierte und hart schaltende Eintransistorflusswandler, Halbbrückenschaltungen, Zweitransistorflusswandler und asymmetrische Halbbrücken.

Vergleich von anwendbaren Topologien

Gegenüber hart schaltenden Topologien haben schaltentlastete oder resonante Topologien bei hohen Schaltfrequenzen (die für sehr hohe Leistungsdichten nötig sind) den Vorteil eines deutlich höheren Wirkungsgrades. Die Ausgangsspannungsregelung erfolgt bei Resonanzwandlertopologien meistens über eine Frequenzregelung.

Um die Vorteile der Schaltentlastung für moderne Power-MOSFET-Schalter mit so genanntem Null-Spannungs-Schalten (Zero Voltage Switching, ZVS) ausnützen zu können, muss die Schaltung überresonant oder induktiv betrieben werden. ZVS ist deshalb vorteilhaft, weil die parasitären Ausgangskapazitäten der MOSFETs, die im wesentlichen für die Schaltverluste verantwortlich sind, verlustfrei umgeladen werden.

Einschränkungen und wie man sie vermeidet

Einige Resonanzwandlertopologien, wie die einfachen LC-Serien- oder Parallel-Resonanztopologien, haben den Nachteil, zur Ausregelung weiter Lastbereiche einen sehr großen Frequenzhub zu benötigen und zusätzlich bei geringer Last die ZVS-Bedingung zu verletzen. Multiresonante Weiterentwicklungen der einfachen Resonanzwandlerschaltungen reduzieren oder vermeiden diese Einschränkung. Die LLC-Schaltungstopologie ist aufgrund einer geringen Frequenzvariation über einen weiten Lastbereich für die eingangs beschriebenen Anforderungen besonders gut geeignet und wird nachfolgend im Detail erläutert.

Realisierung eines 400-W-LLC-Resonanzwandlers

Die Schaltung ist mit dem PFC-Regler L6563 im FOT-Betrieb und mit dem Resonanzwandler-Regler-IC L6599 in einer Hochspannungstechnologie (>600 V) realisiert, wodurch eine direkte Ansteuerung der Halbbrückentransistoren möglich ist. In Bild 1 links ist die Halbbrücke mit dem Resonanzkreis aus den Induktivitäten LM und LLK plus LEXT sowie der Resonanzkapazität CRES zu sehen. LPRI kann aufgrund der Darstellung im Ersatzschaltbild mit LM und LLK vernachlässigt werden und ist nur gezeigt, um mit LSEC die galvanische Isolation zu verdeutlichen.

Resonanzkurven und nahezu verlustfreies Schalten

Je nach Lastzustand ergibt sich eine effektive Resonanzkurve zwischen den zwei Extremen, die im Bild 1 rechts zu sehen ist. Diese Resonanzkurve mit niedrigerer Resonanzfrequenz F01 wird durch die Serienschaltung der Magnetisierungsinduktivität LM, der Streuinduktivität (Leakage) LLK, der externen Induktivität LEXT und der Resonanzkapazität CRES bei Leerlauf definiert. Die Resonanzfrequenz F02 ist durch die Serienschaltung der Streuinduktivität (Leakage) LLK und der externen Induktivität LEXT vorgegeben, die bei sehr starker Belastung des Resonanzkreises dominiert, bzw. wenn die Ausgangskapazität COUT durch die Gleichrichterdioden geladen wird.

Durch diese beiden Resonanzkurven kann unabhängig von der Last ein nahezu verlustfreies ZVS-Schalten der MOSFETs gewährleistet werden, sofern die Schaltfrequenz immer höher ist als F01. Die genaue Auslegung des Resonanzkreises ist in der Application Note AN2450 von STMicroelectronics beschrieben. Die externe Induktivität ist durch ein integriertes magnetisches Design des Transformators realisierbar, sodass kein LEXT nötig ist, was sich auch auf die Leistungsdichte und Kosten der Schaltung positiv auswirkt.

Kontrollierter Burst-Mode minimiert Standby-Verluste

Die Schaltung produziert im ZVS-Betrieb minimale EMV-Störungen, was in Zusammenhang mit kleineren, optimierten Filtern die Leistungsdichte der Schaltung weiter erhöht (und die Entwicklungszeit des Gerätes deutlich verringert). Einige weitere Eigenschaften des Reglerbausteins L6599 unterstützen die Entwicklung einer effizienten Stromversorgung.

Ein integrierter synchroner DMOS-Schalter ersetzt eine externe Bootstrap-Diode zum Laden der Bootstrap-Kapazität, die die isolierte Ansteuerung des oberen Halbbrückentransistors versorgt. Eine Softstart-Funktion verhindert einen hohen Einschaltstrom beim Anlauf, indem die Halbbrücke zunächst mit einer programmierbaren höchsten Schaltfrequenz betrieben wird. Anschließend sinkt die Frequenz kontinuierlich bis zum stabilen Betriebszustand, wodurch der Ausgangskondensator langsam aufgeladen wird. Die Geschwindigkeit der Frequenz-Veränderung ist ebenfalls programmierbar. Für den Überstromschutz wird zunächst die Frequenz erhöht, um den Strom zu reduzieren, und anschließend die Schaltung mit Verzögerung abgeschaltet, sofern dies nicht ausreicht.

Ein klassisches Problem von Resonanzwandlerschaltungen (der Betrieb bei Minimallast) ist mit dem kontrollierten Burst-Mode gelöst. Dieser reduziert die Leistungsaufnahme auch im Standby.

Eine Schaltung mit dem Weitbereichseingang von 90 bis 264 Vrms, 400 W Ausgangsleistung, 200 und 75 V Ausgangsspannung wurde realisiert und erreicht eine Standby-Leistungsaufnahme von 0,5 W bei 230 VAC. Eine Schnittstelle zum PFC-Regler L6563 ermöglicht es diesen im Fehlerfall (etwa Überstrom) oder im Burst-Mode abzuschalten und so die Verlustleistung weiter zu reduzieren. Wie der Wirkungsgradkurve in Bild 2 entnommen werden kann, ist der Wirkungsgrad bei 230 VAC bereits bei 10% Last über 80% und erreicht schon bei 25% der Last über 90%.

*Dr. Ulrich Kirchenberger ist Senior Field Application Manager Lighting and Power Supply Europe bei STMicroelectronics Design & Application GmbH, Grasbrunn.

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