So erzielen Sie den maximalen Wirkungsgrad bei Gleichspannungswandlern

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Synchrongleichrichter verdrängen Diodengleichrichter

Neben ZVS trägt auch die Synchrongleichrichtung auf der Sekundärseite erheblich dazu bei, die Wandlerleistung zu verbessern. Wie in Bild 2 der Bildergalerie gezeigt, können die Diodengleichrichter durch Synchrongleichrichter ersetzt werden, wobei sich die Treiber der Synchrongleichrichter wie Diodengleichrichter verhalten. Dieser Ansatz ist effizienter, da das Produkt des durchschnittlichen Stroms und des Durchlasswiderstands sehr viel geringer als die Vorwärtsspannung der Diode ist. Bei einem Wandler mit Synchrongleichrichtung muss der MOSFET jedoch sorgfältig so gesteuert werden, dass sein Timing beim Einschalten und im Betrieb mit der Einschaltperiode der Diode synchronisiert wird.

Neue digitale Implementierung der Phasenschieber-Vollbrücke

Bei Hochleistungswandlern, wie in Bild 1 gezeigt, ist die Phasenschieber-Vollbrücke (PSFB) die geeignetste Topologie. Bei der Implementierung mit ZVS und Synchrongleichrichtung können die Entwickler von Schaltwandlern eine ausgezeichnete Leistungsdichte und einen sehr hohen Wirkungsgrad erreichen. Das ist besonders wichtig bei Anwendungen zur Energieverteilung mit Gleichspannung, beispielsweise bei der Abwärtswandlung von 400 V nach 48 VDC zur Versorgung eines Verteilerbusses.

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Früher wäre für die Implementierung einer solchen Schaltung sehr viel Entwicklungserfahrung und die Fähigkeit erforderlich gewesen, komplexe Pulsbreiten modulierte Signalformen zu erzeugen und beim Timing enge Vorgaben einzuhalten. In jüngerer Zeit haben die Hersteller von Mikrocontrollern jedoch Lösungen für eine anwenderfreundliche Plattform zur volldigitalen Implementierung eingeführt. Dabei steuert die MCU die Gate-Treiber der MOSFETs in der Vollbrücke sowie die Synchrongleichrichtung. Die digitale Steuerung bietet Vorteile wie eine flexible Programmierbarkeit, eine hohe Integration und die Möglichkeit, per Software Begrenzungen des Einschaltstroms und Funktionen für einen weichen Anlauf vorzusehen.

Einen derartigen Ansatz zeigt STMicroelectronics mit dem Board STEVAL-ISA172V2, das einen 2-kW-AC/DC-Wandler mit der MCU STM32F334 für den AC/DC-Wandler und die Korrektur des Leistungsfaktors sowie eine weitere MCU für die Funktionen zur Leistungsregelung in einem PSFB-Gleichspannungswandler mit einer Ausgangsspannung von 48 oder 52 V implementiert (siehe Bild 3 in der Bildergalerie). Die MCU STM32F334 enthält einen hochauflösenden Timer (max. Auflösung 217 ps) für eine sehr präzise Stromregelung in der PSFB-Schaltung.

Der Regelalgorithmus baut auf einer einfachen Spannungsschleife mit einem herkömmlichen PI-Regler (proportional + integral) auf (siehe Bild 3). Die im STM32F334 eingesetzten Algorithmen werden im Anwendungshinweis 4856 von STMicroelectronics zum STEVAL-ISA172V2 Demo-Board detailliert erklärt.

Einfache Wandlung 48 V nach PoL

Das STEVAL-ISA172V2 erzeugt aus einer gleichgerichteten Netzeingangsspannung von 400 VDC eine Spannung von 48 V für den Verteilerbus. Die Spannung dieses Verteilerbusses wird üblicherweise auf eine Zwischenspannung von 12 V oder weniger reduziert, bevor sie schließlich in die PoL-Spannungen von 5 V oder niedriger gewandelt wird. Dahinter steht die leichte Verfügbarkeit existierender Abwärtswandler-ICs, die in einem eingeschränkten Verhältnis der Eingangs- zur Ausgangsspannung von maximal 6:1 gut funktionieren.

Bei Spannungsverhältnissen oberhalb von etwa 12:1 nimmt die Leistung konventioneller Schaltregler-ICs, sowohl vom Wirkungsgrad als auch von der Ausgangsleistung her, in nicht akzeptabler Weise ab. Die direkte Wandlung von 48 V zu einer PoL-Spannung, mit sehr viel höheren Verhältnissen bis 36:1, wird durch den Einsatz einer ZVS-Topologie möglich.

Bei logischer Betrachtung ist es sinnvoll, einen der Zwischenschritte bei der Wandlung, gewöhnlich den Schritt von 48 nach 12 V, entfallen zu lassen: bei einer typischen zweistufigen Wandlung mit Wandlern, die einen Wirkungsgrad von jeweils 90% haben, beträgt der Gesamtwirkungsgrad 81% (0,9 x 0,9). Damit ist eine einstufige Wandlung – 48 V zur PoL-Spannung – die einen höheren Wirkungsgrad als 81% erreichen kann, besser als eine zweistufige Wandlung mit einem für sich genommen hohen Wirkungsgrad von jeweils 90%.

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