Power-Tipp Hohe Spannungen ohne Transformator erzeugen

Für den Betrieb eines getakteten Spannungswandlers bei hohen Spannungen muss nicht unbedingt eine Topologie mit Transformator gewählt werden. Dieser Power-Tipp zeigt, wie mit entsprechenden Spannungswandler-ICs viele Anwendungen ohne Trafos betrieben werden können.

Getaktete Spannungswandler nach dem Prinzip des Buck-Abwärtswandlers sind weit verbreitet. Sie benötigen keinen Transformator, sondern nur eine einfache Spule, um sehr effizient eine hohe Spannung in eine niedrige Spannung umzuwandeln. Der Aufbau ist recht einfach.

Verwendet werden sie bei Versorgungsspannungen bis 60 V und generierten Spannungen am Ausgang bis 12 V. Bei höheren Versorgungsspannungen oder höheren Ausgangsspannungen stößt man häufig an die Grenzen bei der Verfügbarkeit von passenden Spannungswandlern.

Natürlich ist eine Spannungswandlung mit einem Schaltregler auch bei wesentlich höheren Spannungen möglich, diese nutzen jedoch Wandlertopologien, welche auf Transformatoren basieren, beispielsweise ein Sperrwandler (Flyback) oder ein Flusswandler (Forward).

Für den maximalen Eingangsspannungsbereich sind in Bild 1 hauptsächlich die beiden Schalter S1 und S2 zuständig. Jedoch muss der entsprechende Treiber im Spannungswandler-IC auch in der Lage sein, die hohe Gate-Spannung für den Schalter S1 zu erzeugen. Diese ist die Summe der maximalen Versorgungsspannung plus der benötigten Schwellenspannung für den MOSFET. Somit muss neben dem MOSFET auch der Spannungswandler-IC entsprechend ausgewählt werden.

Bild 2 zeigt den Controller-IC LTC7897, welcher für eine Versorgungsspannung bis zu 135 V (max. 140 V) ausgelegt ist. Die Ausgangsspannung darf bei der Nutzung dieses ICs ebenfalls sehr hoch sein. Sie kann bis zu 135 V reichen, solange sie niedriger als die Eingangsspannung ist.

Mit dem LTC7897 ist es beispielsweise möglich, von 100 nach 12 V zu wandeln. Durch den Aufbau als Controller für diskrete Schalter können MOSFETs für hohe Ströme ausgewählt werden. Die Schaltung in Bild 2 erzeugt beispielsweise einen Laststrom von 20 A.

Hohe Spannungen mit Buck-Reglern in niedrige Spannungen wandeln

Neben dem Beispiel aus Bild 2, in welchem eine hohe in eine niedrige Spannung umgewandelt wird, gibt es auch den Anwendungsfall, bei dem eine hohe positive Spannung zur Verfügung steht und daraus eine negative Spannung erzeugt werden soll. Eine mögliche Topologie hierfür ist ein invertierender abwärtswandelnder Buck-Regler. Diese Schaltung benötigt keinen Transformator, sondern nur eine einfache Spule, um aus einer positiven Spannung eine negative zu generieren.

Der Spannungswandler in der invertierenden Buck-Boost-Topologie muss eine besondere Spannungsfestigkeit bieten, da der Regler mindestens so spannungsfest sein muss wie die verfügbare Versorgungsspannung plus den Betrag der erzeugten Ausgangsspannung.

Bei einer Eingangsspannung von U_in = 48 V und geforderten –65 V als Ausgangsspannung ist eine Spannungsfestigkeit des getakteten Spannungswandlers von 103 V nötig. Ein solcher Spannungswandler ist dadurch besonders für das Erzeugen von hohen, negativen Spannungen geeignet.

Bild 3 zeigt den LTC7897 in der invertierenden Topologie, um die Versorgungsspannung von 48 V in die Ausgangsspannung von –65 V zu wandeln.

Fazit: Für den Betrieb eines getakteten Spannungswandlers bei hohen Spannungen müssen Sie nicht unbedingt eine Topologie mit Transformator auswählen. Mit entsprechenden Spannungswandler-ICs, wie dem LTC7897, können viele Anwendungen betrieben werden, ohne aufwändige und kostenintensive Transformatoren einzusetzen. (kr)

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

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