So erzielen Sie den maximalen Wirkungsgrad bei Gleichspannungswandlern

| Autor / Redakteur: Robert Gabrysiak * / Margit Kuther

Vereinfachtes Schaltbild eines Phasenschieber-Vollbrückenwandlers: mit Synchrongleichrichtung auf der Sekundärseite.
Vereinfachtes Schaltbild eines Phasenschieber-Vollbrückenwandlers: mit Synchrongleichrichtung auf der Sekundärseite. (Bild: Vishay Anwendungshinweis Nr. 833)

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Die Vorschriften zum Energieverbrauch werden immer strenger. Eine Herausforderung für Entwickler elektronischer Systeme.

Seit einigen Jahren stehen die Entwickler elektronischer Systeme mittlerer und hoher Leistung vor der Herausforderung, die Effizienz bei voller und niedriger Last zu verbessern, um die Einhaltung immer strengerer Vorschriften zum Energieverbrauch zu gewährleisten und den Anwendern zu helfen, Energiekosten zu sparen.

Als Antwort auf diese Anforderungen hat die Industrie Leistungsverluste in Hochleistungs-Gleichspannungswandlern reduziert oder beseitigt. Gleichzeitig wird in Energieverteilungssystemen immer häufiger hochgespannter Gleichstrom statt Wechselstrom eingesetzt, um Übertragungsverluste zu verringern.

Elektronik-OEMs in Bereichen wie der Telekommunikation und Netzwerkservern, Batterieladesystemen und der Erzeugung erneuerbarer Energie streben ebenfalls danach, die Effizienz zu verbessern, indem sie Direktwandler zwischen einem Verteilerbus mit 48 VDC und den sog. Points-of-Load (PoL) Wandlern mit Betriebsspannungen bis hinab zu 2,5 V zu verwenden.

Dieser Artikel beschreibt wichtige Durchbrüche bei der Weiterentwicklung von Komponenten in der Leistungselektronik, die die Entwicklung effizienter Gleichspannungswandler ermöglicht haben, und dies für die Wandlung der Eingangsspannung von 400 V in eine Ausgangsspannung von 48 V sowie für die Wandlung der Busspannung von 48 V in die PoL-Spannungen. Er stellt außerdem zwei neue Standardlösungen vor, die ein OEM schnell und einfach implementieren kann.

Die Wahl der Topologien für Gleichspannungswandler

Die gebräuchlichsten Typen von Gleichspannungswandlern können je nach der Art der Energieübertragung in zwei Gruppen eingeteilt werden: die Energie gelangt vom Eingang durch die magnetischen Komponenten direkt zur Last oder die Energie kann in den magnetischen Komponenten für die spätere Abgabe an die Last gespeichert werden. Bild 1 in der Bildergalerie zeigt diese Typen.

Mehrphasige Abwärtsregler haben wegen ihrer niedrigeren Durchgangsverluste einen höheren Wirkungsgrad als einphasige Wandler. Sie bieten außerdem eine geringere Welligkeit der Ausgangsspannung, ein besseres Impulsverhalten und einen niedrigeren Nenn-Rippelstrom am Eingangskondensator.

Eine Vollbrücken-Wandlerkonfiguration vereinigt die Spannungseigenschaften der Halbbrücken-Topologie mit den Stromeigenschaften der Gegentakt-Topologie. Die Gegentakt-, Halbbrücken- und Vollbrücken-Konfigurationen haben kleinere Eingangsfilter und Ausgangsdrosseln als die Eintakt-Wandler. Sie bieten außerdem eine bis zu 40% bessere Ausnutzung des Transformators und eine gleichmäßigere Halbleiter-Verlustleistung über den Eingangsspannungsbereich.

Verschiedene Anwendungen und ihre Anforderungen verlangen daher nach verschiedenen Wandler-Topologien. Insgesamt ist die Realisierung von Gleichspannungswandlern mit hohem Wirkungsgrad durch die Entwicklung zweier wichtiger Technologien möglich geworden: dem Schalten im Nulldurchgang der Spannung (ZVS) und der Synchrongleichrichtung.

Vorteile des Schaltens im Nulldurchgang der Spannung

ZVS ist eine extreme Form des ‚weichen Schaltens‘. Bei hart schaltenden Systemen wird jeder MOSFET auf der Primärseite beim Einschalten einer Spannung ausgesetzt, die mindestens der Speisespannung entspricht, und der Strom fließt in den meisten Fällen vom Drain zur Source, was zu hohen Einschaltverlusten führt.

Beim weichen Schalten fließt der Strom am Einschaltpunkt von der Source zum Drain. Dadurch wird die Ausgangskapazität des MOSFETs entladen, bevor das Bauteil eingeschaltet wird, um Einschaltverluste im Idealfall zu vermeiden bzw. zu minimieren. Es sollte jedoch darauf hingewiesen werden, dass der ZVS-Betrieb nur die Einschaltverluste verringert. Die Schaltverluste beim Ausschalten bleiben weiterhin bestehen, und dies sowohl bedingt durch die Stromüberlappung als auch durch das Aufladen des Ausgangskondensators.

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