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Kfz-Stromversorgungen Design und Optimierung eines Pre-Boosters für Automotive-Anwendungen (Teil 3)

| Autor / Redakteur: Matthias Ulmann * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Der beim Motorstart entstehende Spannungseinbruch kann mit einem so genannten Pre-Booster vermieden werden – einem Aufwärtswandler, der dem eigentlichen System vorangeschaltet ist.

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Während der Anlasser den Motor startet, entsteht wegen der hohen Ströme und des Innenwiderstands der Batterie unweigerlich ein Einbruch der Bordnetzspannung. Je nach Qualität und Temperatur der Batterie kann dieser Spannungseinbruch so gravierend sein, dass die elektronischen Systeme ihren Dienst einstellen.
Während der Anlasser den Motor startet, entsteht wegen der hohen Ströme und des Innenwiderstands der Batterie unweigerlich ein Einbruch der Bordnetzspannung. Je nach Qualität und Temperatur der Batterie kann dieser Spannungseinbruch so gravierend sein, dass die elektronischen Systeme ihren Dienst einstellen.
(Bild: Texas Instruments)

In Teil 1 dieses Beitrags wurde das Problem des Spannungseinbruchs beim Motorstart beschrieben, die Auswirkungen eines Kaltstart-Prüfimpulses auf eine Automotive-Stromversorgung gezeigt und eine typische Spezifikation für einen Pre-Booster behandelt.

Teil 2 gab Ratschläge zur richtigen Auswahl aller benötigten Bauelemente. Weitere Themen waren die Reaktion eines Pre-Boosters auf einen Kaltstark-Prüfimpuls und die Auswirkungen seines Fehlerverstärkers.

Hier in Teil 3 geht es um die Unterschiede zwischen den Betriebsarten und die Auswirkungen der Induktivität und der Kapazität auf die Leistungsfähigkeit.

Betriebsart

Wenn ein Boost-Wandler im lückenden Betrieb (Discontinuous Conduction Mode – DCCM) arbeitet, in dem der Spulenstrom in jedem Schaltzyklus auf null zurückgeht, befindet sich die Nullstelle in der rechten Halbebene bei einer so hohen Frequenz, dass sie praktisch keinen Einfluss auf die Bandbreite des Wandlers hat. In dieser Betriebsart liegt die erreichbare Bandbreite im Bereich von 10 bis 20 kHz und somit um eine Dekade über den Werten im nicht-lückenden Betrieb. Zum Kompensationsnetzwerk ist zu sagen, dass der Widerstand größer wird, während die Kondensatoren kleiner werden. Letztere können daher vom Fehlerverstärker schneller geladen werden, sodass der Einbruch der Ausgangsspannung deutlich geringer ausfällt. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse eines Boosters im CCM- und DCCM-Betrieb. Das Kompensationsnetzwerk des Boosters im DCCM-Betrieb wurde so ausgelegt, dass er wie der Wandler im CCM-Betrieb unter allen Bedingungen einen Phasenrand von mindestens 60° besitzt.

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Der Wechsel von CCM auf DCCM verbessert die Regelung der Ausgangsspannung also noch mehr als die zuvor beschriebene Verdopplung der Bandbreite. Die Ausgangsspannung bricht jetzt nur noch um 12 % ein, allerdings erhöht sich der maximale Spulenstrom um 50 %, denn wenn der Spulenstrom in jedem Zyklus auf null zurückgeht und die Leistung gleichbleibt, muss der Scheitelstrom zwangsläufig höher werden. Dies ist bei der Wahl der Eingangs- und Ausgangskondensatoren zu beachten, denn die Wechselstrombelastung besonders am Eingang wird deutlich größer. Auch in Sachen EMI ist der DCCM-Betrieb eben wegen der höheren Scheitelströme potenziell schwieriger zu beherrschen.

Es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass die Softstart-Funktion des Controllers keinen Einfluss auf irgendwelche hier auftretenden Verzögerungen hat, denn diese Funktion ist nur beim allerersten Start des Controllers aktiv. In dieser Anwendung aber läuft der Controller bereits, auch wenn er nicht schaltet. Wenn die Ausgangsspannung unter den programmierten Wert fällt, ist also kein Softstart aktiv, und nur der Fehlerverstärker begrenzt das Tastverhältnis.

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