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Welche Topologie ist geeignet Aufwärts- oder Sperrwandler?

| Autor / Redakteur: Robert Kollman * / Johann Wiesböck

Im Power Tipp Nr. 58 ging es um Tastverhältnis-Restriktionen, wenn nicht isolierte Aufwärtswandler mit hohen Umwandlungsverhältnissen betrieben werden. Wir fanden dabei heraus, dass das von Seiten des Controllers maximale Tastverhältnis darüber entscheidet, wie hoch die Spannung am Ausgang werden kann. Was aber ist zu tun, wenn man tatsächlich an diese Grenze stößt?

Power-Tipps von TI, Teil 59
Power-Tipps von TI, Teil 59
(Bild: VBM-Archiv)

Bei geringen Ausgangsleistungen könnte man erwägen, die Aufwärtswandler im lückenden Betrieb zu betreiben oder eine Ladungspumpe hinzuzufügen. Je höher allerdings die Leistung ist, umso weniger kommen diese Abhilfemaßnahmen in Frage. Stattdessen ist man zur Verwendung einer Topologie mit gekoppelter Induktivität, also beispielsweise eines Aufwärtswandlers (Boost Converter) oder eines Sperrwandlers (Flyback Converter) gezwungen.

Bild 1: Bei einem Aufwärtswandler, dessen Induktivität einen Mittelabgriff besitzt, reduziert sich das Tastverhältnis
Bild 1: Bei einem Aufwärtswandler, dessen Induktivität einen Mittelabgriff besitzt, reduziert sich das Tastverhältnis
(Bild: TI)

Das Prinzipschaltbild eines Aufwärtswandlers mit gekoppelter Induktivität ist in Bild 1 dargestellt. Während der Leistungsschalter eingeschaltet ist, um die magnetische Spannung (Durchflutung) in der Induktivität zu vergrößern, kommt der Strom für den angeschlossenen Verbraucher aus dem Ausgangskondensator. Während dieser Zeit hat die Spannung an der Anode von D1 negatives Vorzeichen, und ihr Betrag wird von der Eingangsspannung und dem Windungsverhältnis der Induktivität bestimmt. Sobald der Schalter sperrt, sorgt die Durchflutung der Induktivität für eine positive Spannung an der Anode von D1, bis diese Diode leitend wird, wodurch der Kondensator wieder aufgeladen und der Verbraucher mit Strom versorgt wird.

Bild 2. Der Sperrwandler senkt das Tastverhältnis ebenfalls
Bild 2. Der Sperrwandler senkt das Tastverhältnis ebenfalls
(Bild: TI)

Im nicht-lückenden Betrieb bleibt die Durchflutung der Induktivität ständig bestehen, während der primärseitige und der sekundärseitige Strom pulsieren. Bei eingeschaltetem Schalter ist die Durchflutung gleich dem Produkt aus der Primärinduktivität und dem Quadrat des Primärstroms. Sperrt der Schalter, ist der Strom in beiden Wicklungen gleich, und das Verhältnis wird um (1+N) reduziert.

Bild 2 zeigt einen nicht lückenden Sperrwandler. Der Leistungsschalter wird hier eingeschaltet, um in der primärseitigen Induktivität eine Durchflutung zu erzeugen, während der Ausgangskondensator den angeschlossenen Verbraucher versorgt. Sobald der Leistungsschalter sperrt, wechselt die Spannung am Übertrager die Polarität, woraufhin der Strom über die Ausgangsdiode fließt, um den Ausgangskondensator wieder aufzuladen und den Verbraucher zu versorgen. Auch im nicht lückenden Betrieb bleibt die Durchflutung des Übertragers stets erhalten, während der Primär- und der Sekundärstrom pulsieren (in diesem Fall bis auf null).

Bei großen Spannungsunterschieden zwischen Ein- und Ausgang ist die Entscheidung zwischen beiden Wandlertopologien recht subtiler Natur. Tabelle 1 vergleicht die Belastung, der beide Schaltungen ausgesetzt sind, für den Fall, dass eine Eingangsspannung von 5 V auf 200 V hochgesetzt werden soll. Die Werte in der Tabelle wurden für gleiche Spannungsbelastungen der Leistungsschalter berechnet. Bei Vr handelt es sich um die Rückstellspannung an der Primärwicklung, wenn die Leistungsschalter abgeschaltet sind.

Der Aufwärtswandler kommt mit einem etwas geringeren Windungsverhältnis aus, weil die primärseitige und die sekundärseitige Wicklung hier ähnlich wie bei einem Spartransformator direkt hintereinander geschaltet sind. Das geringere Windungsverhältnis sorgt dafür, dass die Spannungsbelastung der Diode sinkt und auch der Scheitelwert des zu schaltenden Stroms geringer ist. Aus diesem Grund kann der Aufwärtswandler einen etwas höheren Wirkungsgrad erreichen.

Tabelle 1: Während die Belastung der Bauelemente beim Aufwärtswandler geringer ist, hat der Sperrwandler den Vorteil einer Strombegrenzung
Tabelle 1: Während die Belastung der Bauelemente beim Aufwärtswandler geringer ist, hat der Sperrwandler den Vorteil einer Strombegrenzung
(Bild: VBM-Archiv)

Da die Werte in der Tabelle sehr ähnlich sind, ist nicht sofort erkennbar, welches die beste Topologie ist. Der ausschlaggebende Faktor kann die gewünschte Reaktion auf ein Überstrom-Ereignis sein. Wird der Ausgang des Aufwärtswandlers kurzgeschlossen, kann der Diodenstrom nur noch durch die Eingangsquelle begrenzt werden. Weil die direkte Verbindung zur Eingangsquelle beim Sperrwandler fehlt, kann hier ein Schutz gegen diesen Störungsfall geboten werden.

Aufwärtswandler können bis zu einem gewissen Verhältnis zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung eingesetzt werden, das durch das Mindest-Off-Intervall des Controllers und die Schaltfrequenz festgelegt wird. Hier muss gegebenenfalls auf alternative Lösungen wie etwa Ladungspumpen, lückenden Betrieb oder (bei höheren Leistungen) Induktivitäten mit Mittelabgriff ausgewichen werden. Während der Aufwärtswandler mit gekoppelter Induktivität einen geringfügig besseren Wirkungsgrad erzielt, bietet der Sperrwandler einen Überstromschutz und galvanische Isolation (falls gewünscht).

Thema des nächsten Power-Tipps ist das Testen von Netzteilen, die für steile Laststromspitzen ausgelegt sind.

Weitere Informationen zu dieser und anderen Power-Lösungen finden Sie außerdem auf

www.ti.com/power-ca.

* Robert Kollman ist Senior Applications Manager und Distinguished Member of Technical Staff bei Texas Instruments

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