Hybrid-Fly-Back-Converter Höhere Leistungsdichte für miniaturisierte Ladegeräte

Autor / Redakteur: Manfred Schlenk und Alfredo Medina Garcia * / Gerd Kucera

Der Artikel zeigt, wie der Digital-Controller XDP in einer besonderen Leistungstopologie eines Hybrid-Fly-Back-Converters den Wirkungsgrad erhöht. Dazu gibt es Special Sessions auf der digitalen PCIM Europe vom 03.-07.5.21.

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Bild 1: Multiobjektive Optimierungsergebnisse verschiedener Adapterkonzepte für Volllast (Pout = 65 W, Vout = 20 VDC) und Low-Line-Betrieb (Vin = 90 VAC). Zusätzlich ist auch die thermische Grenzlinie dargestellt, die den minimalen Wirkungsgrad definiert, der für eine gegebene Leistungsdichte erforderlich ist, um die Oberflächentemperatur des Adapters unter 70 °C zu halten.
Bild 1: Multiobjektive Optimierungsergebnisse verschiedener Adapterkonzepte für Volllast (Pout = 65 W, Vout = 20 VDC) und Low-Line-Betrieb (Vin = 90 VAC). Zusätzlich ist auch die thermische Grenzlinie dargestellt, die den minimalen Wirkungsgrad definiert, der für eine gegebene Leistungsdichte erforderlich ist, um die Oberflächentemperatur des Adapters unter 70 °C zu halten.
(Bild: Infineon)

Für den Bedarf an Ladegeräten und Adaptern wird in den nächsten Jahren ein Zuwachs auf bis zu 2 Mrd. Stück erwartet. Das verlangt nach einem universalen Adapter und der Reduzierung der Verluste im Ladegerät bzw. AC-Adapter. Denn jeder Prozentpunkt Wirkungsgradsteigerung ist von großer Bedeutung, wenn ernsthaft die Klimaziele erreicht werden sollen. Betrachtet man etwa den durchschnittlichen Leistungsmix aller Ladegeräte und Adapter für Mobilgeräte im Jahr 2020, führt eine Effizienzsteigerung von nur 1% zu einer durchschnittlichen jährlichen Energieeinsparung von rund 500 GWh. Mit der möglichen Effizienzsteigerung der in diesem Artikel beschriebenen neuen Technologie um 4 bis 5% kann eine durchschnittliche jährliche Energieeinsparung von 2 TWh möglich sein.

Zum Laden mobiler Geräte wird in der Regel ein Ladegerät mit USB-Schnittstelle und einer Ladespannung von 5 V verwendet. Die Anpassung des Ladegeräts an das Endgerät erfolgt über unterschiedliche Verbindungskabel. Die zunehmende Funktionalität von High-End-Geräten und der Wunsch nach einer Schnell-Ladefunktion führen zum einer erhöhten Ausgangsladeleistung. Hinzu kommt der Wunsch nach einem einheitlichen Ladeverfahren, was zur Bildung eines Konsortiums führte, das sich eine Standardisierung dieser Verfahren zum Ziel gesetzt hatte. Entstanden ist dabei der USB-PD-Standard (Universal Serial Bus -Power Delivery).

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Der USB-PD-Standard definiert unter anderem die Kommunikation zwischen End- und Ladegerät. Dazu besitzt das USB-PD-Ladegerät einen speziellen Interface-Baustein, über den das Endgerät Strom- und Spannungsbedarf mitteilt. Das Ladegerät liefert dann die gewünschte Ausgangsspannung zwischen heute 5 bis 20 V. Erhöhter Spitzenleistungsbedarf für Schnell-Ladung wird unterstützt. Ebenso wurde ein neuer einheitlicher Verbindungsstecker, der USB-C-Stecker, definiert. Damit wird der Einsatz ein und desselben Adapters und desselben Ladekabel für Notebooks, Tablets, Notebooks und Mobiltelefonen und ein Laden der Geräte-Akkus mit einem Strom von 3 A ermöglicht. Bei Verwendung spezieller Kabel ist sogar eine Versorgung der Endgeräte mit bis zu 5 A möglich.

Ein Notebook-Adapter ist allerdings um ein Vielfaches größer als ein Handy-Adapter. Niemand will ein großes Ladesystem mit sich führen, wenn er nur ein Handy oder ein Tablet laden möchte. Also muss das Volumen eines Notebook-Adapters reduziert werden. Wünschenswert ist es, ein Laptop-Ladegerät in der Größe eines Handy-Ladegeräts zu haben. Dies bedeutet aber eine immense Erhöhung der heutigen Leistungsdichte und macht das Anheben des heutigen Gerätewirkungsgrads um mindestens 5% erforderlich.

Der Technikstand und die Forderungen für Ladesysteme

Heutige Ladegeräte werden normalerweise als Sperrwandler ausgeführt, da sich damit auf sehr einfache Art und Weise die Anforderungen erfüllen lassen. Nachteilig ist aber der relativ geringe maximale Wirkungsgrad von etwa 89%, der die erforderliche Erhöhung der heutigen Leistungsdichte nicht zulässt. Methoden müssen gefunden werden, um die durch Streuinduktivität des Hauptübertragers im Schalter und im Entlastungsnetzwerk entstehenden Verluste zu minimieren, um die in der Streuinduktivität gespeicherte Energie sinnvoll zu verwenden und um ein Nullspannung-Schalten des Primärschalters zu ermöglichen. In der „Special Session: High Density Power Adapters“ auf der digitalen PCIM Europe (03. bis 07.05.21) wird Ionel Dan Jitaru (Rompower Energy System), die Möglichkeiten dazu in seinem Vortrag „The Ideal Flyback Topology” vorstellen, die einen entsprechenden Ansatz zeigt.

Ladegeräte müssen zudem für den weltweiten Einsatz und deshalb für einen Eingangsspannungsbereich von 90 bis 264 VAC funktionieren. Um bei niedrigster Eingangsspannung noch die volle Ausgangsleistung abgeben zu können, wird üblicherweise die Arbeitsfrequenz abgesenkt. Diese Vorgehensweise ist aber mit einem unerwünschten Anstieg der magnetischen Flussdichte verbunden und bewirkt eine unerwünschte Vergrößerung des Leistungsübertragers.

Dasselbe trifft prinzipiell auch auf die Active-Clamp-Sperrwandler zu, die zumindest bereits die Energie der Übertrager-Streuinduktivität zum Nullspannung-Schalten (ZVS) des Leistungstransistors verwenden. Um trotzdem eine hohe Leistungsdichte zu erreichen, arbeiten die Wandler in der Schaltung bei höchster Eingangsspannung und bei sehr hohen Arbeitsfrequenzen. Dies allerdings führt zu erhöhten Verlusten im Übertrager.

Die beschriebenen Begrenzungen der erreichbaren Leistungsdichte führte zu ersten Überlegungen bezüglich einer Hybridtopologie, die die Vorteile eines Sperrwandlers (weiter Ein-/Ausgangsspannungsbereich) und eines Vorwärtswandlers (kleiner Hauptübertrager) miteinander kombiniert. Daraus entstand der Hybrid Flyback Converter. Zur Verifizierung seiner Leistungsfähigkeit wurde der Prototyp eines 65-W-Notebook-Adapters gebaut. Sein Spitzenwirkungsgrad beträgt fast 95% bei einer Leistungsdichte von 27 W/Zoll3. Damit wurde eine weit mehr als doppelt so große Leistungsdichte und eine um 5% höhere Effizienz erreicht als sie heute übliche Standard-Notebook-Adapter erzielen.

Die Regelung und Steuerung des Wandlers übernimmt ein digitaler Controller aus der XDP-Familie von Infineon. Die Bausteine dieser Serie besitzen einen dedizierten Mikroprozessor-Kern und alle für den Bau einer Stromversorgung erforderlichen Funktionsblöcke wie Startup-Kreis, Treiberstufen sowie Strom- und Spannungsverstärker. Durch eine entsprechende Firmware werden dann alle diese Funktionsblöcke so miteinander verknüpft, dass sich ein optimaler Betrieb über den gesamten Last- und Eingangsspannungsbereich ergibt. Details können einer Applikation-Note entnommen werden. Der Baustein ist vom Anwender über eine GUI parametrisierbar und an die gewünschte Anwendung anpassbar.

Erste Konzepte des Hybrid-Flyback-Converters

Die theoretische Verifizierung erster Konzept-Überlegungen umfassten diverse Schaltungstopologien. Dazu wurde die „Pareto-Front“- Methodik von Prof. Dr. Johann Kolar (ETH Zürich) angewandt. Dieses Tool erlaubt es, verschiedene Konzepte durch eine multiobjektive Optimierung, die alle verfügbaren Freiheitsgrade bei der Konzeption jedes Konzepts berücksichtigt, vergleichsweise zu bewerten. Als Ergebnis wurde für jede Topologie eine Effizienz-/Leistungsdichte (η-)-Pareto-Front berechnet, die den erreichbaren Kompromiss zwischen Leistung und Dimensionen angibt.

Die Optimierungsergebnisse sind in Bild 1 für den Volllastbetrieb bei der Worst-Case-Eingangsspannung (Vin=90 VAC) und dem höchsten Ausgangsstrom (Iout = 3,25 A@ Vout=20V) dargestellt. Darüber hinaus ist die thermische Grenzlinie gezeigt, die den minimalen Wirkungsgrad definiert, der für eine gegebene Leistungsdichte erforderlich ist, um die Oberflächentemperatur des Adapters unter 70 °C zu halten.

Nur Designs oberhalb dieser Linie besitzen die erforderliche Effizienz, um die erzeugte Wärme passiv abzuleiten (d.h. über natürliche Konvektion und Strahlung), ohne die thermische Grenze des Gehäuses zu überschreiten. Dies zeigt deutlich, dass das Ziel der höchsten Leistungsdichte unweigerlich mit der höchsten Effizienz verbunden ist und unterstreicht somit die Notwendigkeit eines umfassenden multiobjektiven Optimierungsansatzes. Die Ergebnisse bestätigten, dass der Hybrid-Flyback-Wandler (in Bild 1 als asymetrical flyback bezeichnet) der aussichtsreichste Kandidat ist.

Das vereinfachte Blockschaltbild des Hybrid-Flyback-Wandlers einschließlich EMI-Filter und Eingangsgleichrichter zeigt Bild 2. Der Kondensator Cr liegt in Serie zum Hauptübertrager und trägt damit zur Energieübertragung bei. Dies stellt den Hauptunterschied zum Active-Clamp-Sperrwandler dar. Bei diesem liegt der Kondensator in Serie zum Transistor Q1 und dient nur zum Erreichen von Nullspannungsschalten des Primärschalters Q2.

Im Hybrid-Flyback-Wandler dient der Resonanzkondensor Cr vorwiegend bei niedrigen Eingangsspannungen als Energiequelle. Bei hohen Eingangsspannungen wirkt der Übertrager als Quelle. Dies ist der Grund für die deutliche Reduzierung der Größe des Transformators, da sich die Flussdichte des Transformators über den gesamten Eingangsspannungsbereich nahezu konstant halten lässt. Bild 3 (oben) zeigt einen typischen Verlauf der im Übertrager bzw. im Resonanzkondensator gespeicherten Energie in Abhängigkeit von der Eingangsspannung.

Um ein optimales Verhalten dieses Wandlers über den gesamten Eingangs-, Ausgangs- und Last-Bereich zu erreichen, wurde digitale Regelung eingeführt und dazu ein Digital-Controller aus der XDP- Serie eingesetzt. Durch entsprechende Regelalgorithmen wird unter allen Eingangsspannungs-, Ausgangsspannungs- bzw. Ausgangsstrom-Bedingungen ZVS (Zero Voltage Switching) für die primärseitigen Seitenschalter und ZCS (Zero Current Switching) für den sekundären (synchronen) Gleichrichter erreicht.

Ein spezieller Steueralgorithmus schaltet den Low-Side-Schalter der primären Halbbrücke mit einer festen Einschaltzeit ein, die durch die Resonanzfrequenz aus der wirksamen Übertragerinduktivität und des Kondensators Cr bestimmt wird. Je nach Eingangsspannung wird die Einschaltzeit des High-Side-Schalters variiert. Dies führt zu einer variablen Schaltfrequenz. Bild 3 zeigt unten die sich ergebende Variation der Arbeitsfrequenz; die typischen Wellenformen sind in Bild 4 zu sehen.

Um den Wandler über den geforderten weiten Eingangsspannungsbereich (90 bis 264 VAC) und Ausgangsspannungsbereich (5 bis 20 VDC) mit höchstmöglicher Effizienz zu betreiben, wurde zusätzlich ein intelligenter Impuls-Skipping-Modus implementiert, ähnlich dem quasi-resonanten Modus eines Standard-Sperrwandlers. Außerdem kamen gezielte Maßnahmen zur Anwendung, um akustische Interferenzen zu unterdrücken, die durch Puls-Skipping-Modi erzeugt werden können.

Um Effizienz und Leistungsdichte zu demonstrieren, die mit dieser Topologie möglich ist, wurde ein 65-W-Prototypkonverter gebaut. Bild 5 zeigt diesen Konverter sowie den erreichten Wirkungsgrad bei einer Ausgangsspannung von 20 VDC. Zur Steigerung der Effizienz wurde im Prototyp die in Bild 2 gezeigte sekundäre Diode durch Synchrongleichrichtung ersetzt.

Dieser Demonstrator erfüllt die EMI-Richtlinien für IT-Equipment (EN 55022 Klasse B) und erreicht die USB-PD-Compliance für die verschiedenen Ausgangsspannungsprofile von 5 VDC@3 A bis 20 VDC@ 3,25 A. Je nach Eingangsspannung variiert die Betriebsfrequenz von 100 bis 200 kHz. Eine Spitzeneffizienz von fast 95% ist nachweislich erreicht. In der Special Session „High Density Power Adapters“ auf der digitalen PCIM Europe im Mai 2021 stellt Alfredo Medina Garcia von Infineon Technologies in seinem Vortrag „Benefits of GaN Technology on Asymmetrical Half-Bridge Flyback Converter“ die Topologie vor und referiert zudem über den Einfluss von WBG-Bauteilen auf Wirkungsgrad und Leistungsdichte.

* Dr. Manfred Schlenk ... Technologieberater und Inhaber der Dr. Schlenk Consulting Alfredo Medina Garcia ... ist Senior Staff Engineer bei Infineon.

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