So erzielen Sie den maximalen Wirkungsgrad bei Gleichspannungswandlern

Autor / Redakteur: Robert Gabrysiak * / Margit Kuther

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

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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)

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.

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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.

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.

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%.

Neue Abwärtsregler-Topologie für effiziente Implementierung

Eine besonders effiziente Implementierung der ZVS wird durch eine neue Abwärtsregler-Topologie möglich, die Vicor für ihre Reglermodule der Serie Cool-Power ZVS entwickelt hat (siehe Bild 4). Die ZVS-Technik verringert die Schaltverluste im eingeschalteten Zustand und die Gate-Treiber-Verluste. Außerdem entfällt die Leitung zwischen FET-Substrat und Diode.

Die ZVS-Abwärtsregler-Topologie von Vicor ist im Grunde dieselbe wie bei einem herkömmlichen synchronen Abwärtsregler, aber mit einem zusätzlichen Schalter zur Klemmung über der Ausgangsdrossel (siehe Bild 5): die in der Ausgangsdrossel gespeicherte Energie wird so geregelt, dass der Schaltvorgang im nominalen Nulldurchgang der Spannung erfolgt.

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Der Leistungs-MOSFET auf der Hochspannungsseite in den Vicor PI35xx schaltet immer beim Nulldurchgang des Stroms und bei einer Drain-Source-Spannung von nahezu Null Volt durch. Es treten weiterhin Verluste und Abwärme durch Leiterverluste auf, aber die Schaltverluste werden dadurch reduziert, dass die Einschaltverluste dank des ZVS-Betriebs fast völlig eliminiert werden.

Durch die zusätzliche Klemmphase tritt beim MOSFET auf der Niederspannungsseite keine Leitung zwischen Substrat und Diode auf. Außerdem entfällt der hohe Reverse-Recovery-Strom vor dem Durchschalten des MOSFET auf der Hochspannungsseite – ein Merkmal konventioneller synchroner Abwärtsregler – bei diesen Komponenten von Vicor. Die einzelnen Leistungs-MOSFETs erzeugen sehr viel weniger Verlustwärme. Dadurch werden keine teuren und sperrigen Kühlkörper benötigt. Das hilft, Größe und Gewicht des Systems sowie die Materialkosten zu reduzieren. Der Wirkungsgrad liegt in der Spitze für alle Bauteile dieser Serie über 95%.

Fazit: Diese Lösung von Vicor wird als vollintegriertes SMD-Modul geliefert, wodurch es vom Entwickler in Systemen zur Spannungsversorgung leicht und einfach eingesetzt werden kann. Zusammen mit den neuen hocheffizienten Lösungen zur Wandlung von 400 V nach 48 V, wie mit dem Demo-Board STEVAL-ISA172V2 gezeigt, können die Systementwickler nun schneller und leichter als je zuvor eine zweistufige Wandlung von der gleichgerichteten Netzspannung zu einer PoL-Spannung realisieren.

Dieser Ansatz ermöglicht eine Verteilung mit hoher Spannung und niedrigem Strom im ganzen System. Das minimiert Verteilerverluste und stellt gleichzeitig eine Niederspannungsversorgung mit hohem Strom und Wirkungsgrad direkt aus einer Eingangsspannung von 48 V zur Verfügung. Dieser Ansatz ist besonders platzsparend und reduziert auch die Entwicklungszeit, da bei der Entwicklung der Spannungsversorgung eine gesamte Leistungsstufe entfallen kann.

Für eine Verteilung mit 48 VDC ist weniger Verkabelung erforderlich. Das spart Platz, Kosten, Gewicht und Leiterverluste, wobei die Leistungsverluste typischerweise um das 16fache verringert werden und die Kondensatoren nur ein Viertel des sonst benötigten Raums belegen.

Diese Kombination von Vorteilen legt nahe, dass eine Energieverteilung mit 48 V neben ihrem heutigen Hauptanwendungsbereich in Telekom- und Netzwerksystemen schon bald andere Marktbereiche wie Industrie und automotive Systeme erobern wird.

* Robert Gabrysiak ist Applikationsingenieur bei Future Electronics (Polen)

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