Power-Tipp Effiziente Reduktion der Zwischenkreisspannung

Für eine effiziente Spannungswandlung gibt es nicht nur Buck-Wandler oder unterschiedliche Lösungen auf Basis von Transformatoren. Innovative Bausteine wie ein Hybridwandler bieten Vorteile. Diese schaffen besonders bei Bus-Convertern in unterschiedlichen Anwendungen eine höhere Effizienz und benötigen nur wenig Bauraum.

In vielen Systemen werden Zwischenkreisspannungen eingesetzt. Häufig liegen diese Spannungen bei 24 V wie in Industrieanwendungen oder auch bei 48 V im automobilen Bereich. Bei modernen Server- und Rechenzentren werden ebenfalls 48 V und manchmal auch 52 V eingesetzt.

Für die Wandlung dieser Zwischenkreisspannung auf 12 oder 5 V eignen sich unterschiedliche Spannungswandlertopologien. Üblich ist eine Wandlung nach dem Buck-Prinzip, wenn keine galvanische Trennung erforderlich ist. Ein Abwärtswandler (Buck Converter) hat jedoch bei einer Spannungswandlung von einer hohen Zwischenkreisspannung, wie 48 V zu einer niedrigen Ausgangsspannung von 5 V nur eine mäßige Effizienz. Das liegt an dem notwendigen Betrieb bei einem kleinen Tastverhältnis von beispielsweise 9,6 % bei der Wandlung von 48 nach 5 V.

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Bei einer Architektur auf Basis eines Transformators, beispielsweise eines Push-Pull- oder Flusswandlers, können Sie das Tastverhältnis über das Wicklungsverhältnis des Transformators anpassen. Dadurch würde die Wandlung effizienter, wären da nicht die zusätzlichen Verluste durch den Transformator. Speziell bei Anwendungen ohne galvanische Trennung verzichtet man also gerne auf den Transformator.

Eine interessante Alternative ist hier ein Hybrid-Wandler. Dieser nutzt eine innovative Wandler-Topologie, welche eine Ladungspumpe mit einem Abwärtswandler verbindet. Dieser Wandler verwendet vier Schalter. Diese werden eingesetzt, um die Versorgungsspannung zu halbieren. Zusätzlich werden die unteren beiden Schalter zusammen mit einer Spule verwendet, um die halbierte Versorgungsspannung auf die gewünschten Ausgangsspannung zu wandeln. Bild 2 zeigt das Schaltungskonzept des hybriden Spannungswandlers, der aus Ladungspumpe und Buck-Konverter besteht.

Die Schaltung aus Bild 2 kann mit einem hybriden Controller-IC, wie dem LTC7821, aufgebaut werden. Für eine sehr kompakte Lösung bietet sich der LTM4654 an. Dieser Baustein aus der µModul-Familie wandelt eine Zwischenkreisspannung bis 55 V auf eine niedrigere, einstellbare Spannung von beispielsweise 5 oder 12 V. Die Leistung kann dauerhaft bis zu 300 W betragen.

Bild 3 zeigt eine Lösung mit dem hoch integrierten LTM4654. Diese Schaltung benötigt nur sehr wenige externe Komponenten und ermöglicht eine Wandlungseffizienz von 96,7 % bei der Wandlung von einer Eingangsspannung von 48 V in eine Ausgangsspannung von 9 V bei einem Laststrom von 15 A. Dieses 300-W-Modul misst 16 mm x 16 mm und hat eine Höhe von 8,96 mm.

Neben einer reinen Spannungswandlung kann das Modul sowohl als Stromquelle als auch als Stromsenke eingesetzt werden. Es kann also ein bi-direktionaler Betrieb stattfinden, um im System energieeffizient zu arbeiten. Der LTM4654 kann auch im negativen Spannungsbereich eingesetzt werden, um beispielsweise 30 V nach –7 V zu konvertieren. Diese Wandlung findet ähnlich statt wie bei einem Abwärtswandler im invertierenden Buck-Boost-Betrieb.

Mehrere dieser Hybridwandler lassen sich parallel betreiben. Mit zwei Wandlern kann der doppelte Strom und damit die doppelte Leistung erzeugt werden. (kr)

* Frederik Dostal ist Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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