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Analog-Grundlagen Sperrwandler im lückenden Betrieb optimieren

| Autor / Redakteur: Robert Kollman / Kristin Rinortner

Es ist allgemein bekannt, dass Synchrongleichrichter die Effizienz von Netzteilen deutlich verbessern können, weil statt des Spannungsabfalls an der Gleichrichtersperrschicht eine geringere Spannung am Schalt-Halbleiter abfällt, dessen Widerstand geringer ist. Die Herausforderung bestand stets darin, robuste Ansteuerstrategien zu entwickeln und die Bauelemente so zu treiben, dass dieser Effekt maximal zum Tragen kommt.

Power-Tipp
Power-Tipp
(Quelle: Redaktion Elektronikpraxis)

Arbeitet ein Sperrwandler im lückenden Betrieb, gestaltet sich die Implementierung wesentlich anspruchsvoller als im nicht-lückenden Betrieb. Bild 1 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild eines Sperrwandlers mit Synchrongleichrichter sowie die zugehörigen Signalverläufe. Bei t = 0 ist der primärseitige Schalter Q1 eingeschaltet und sein Drainstrom steigt an.

Bild 1: Selbstgesteuerte Synchrongleichrichter kommutieren in einem Sperrwandler, der im lückenden Betrieb arbeitet, nicht von selbst.  (Bild: TI) Bild 1: Selbstgesteuerte Synchrongleichrichter kommutieren in einem Sperrwandler, der im lückenden Betrieb arbeitet, nicht von selbst. (Bild: TI)

Wenn jetzt dieser Schalter sperrt, steigen die Spannungen an den mit Punkten markierten Enden der Übertragerwicklungen so lange an, bis die Body-Diode von Q2 die Spannung an der Sekundärwicklung des Übertragers auf die Ausgangsspannung klemmt. Das Gate von Q2 liegt übrigens auf einem höheren Potenzial als die Source. Aus diesem Grund kommutiert der Strom von der Body-Diode auf den MOSFET-Kanal, was die Effizienz der Gleichrichtung verbessert.

Durch eine über den Übertrager angelegte positive Gate-Source-Spannung verbleibt die Schaltung in diesem Zustand. Während dieser Zeit entlädt sich die Magnetisierungs-Induktivität und ändert damit ihr Vorzeichen. Um diesen Zustand zu verlassen, muss Q1 eingeschaltet werden, damit die Spannung am Gate von Q2 ihr Vorzeichen wechselt und diesen MOSFET abschaltet. Dieser Vorgang bringt eine große Belastung mit sich, da beide Transistoren gleichzeitig leitend sind und es deshalb zu hohen Strom- und Spannungsspitzen kommt.

Diese einfache Schaltung arbeitet stets im nicht-lückenden Betrieb, da zu allen Zeiten mindestens einer der Schalter eingeschaltet ist. Der Schlüssel für eine einwandfreie Funktion von Synchrongleichrichtern in Sperrwandlern, die im lückenden Betrieb arbeiten, besteht darin, sie exakt so funktionieren zu lassen wie die von ihnen ersetzten Dioden. Sie müssen also abgeschaltet werden, sobald der in ihnen fließende Strom seine Richtung ändert. Der traditionelle Ansatz hierfür basiert auf gepufferten Stromwandlern.

Fließt der Strom in die richtige Richtung, wird eine positive Treiberspannung angelegt. Dagegen wechselt die Polarität des Treibersignals, wenn der Strom seine Richtung ändert. Nachteilig hieran sind die Größe des Stromwandlers und der zusätzliche Aufwand an diskreten Bauelementen für den Puffer.

Bild 2 Bild 2

Mehrere Unternehmen, darunter auch TI, haben ICs entwickelt, die sich als Alternative zu Treiberschaltungen, die den Strom messen, anbieten (Bild 2). Die Synchrongleichrichter wurden dazu auf die Low-Seite verlagert, und ein spezielles Controller-IC übernimmt das Timing und die Gate-Ansteuerung. Der Vorteil hieran ist, dass die Source direkt mit der Masse verbunden wird und das Gate direkt angesteuert werden kann. Da die Funktion des Bausteins auf dem Überwachen der Drain-Source-Spannung beruht, ist die Schaltung wegen der mit der Systemmasse verbundenen Source auch weniger störempfindlich.

Die Schaltung arbeitet jetzt als Sperrwandler im lückenden Betrieb. Auf der rechten Seite sind einige idealisierte Signalverläufe dargestellt. Besonders hervorzuheben ist die Spannungsbelastung des Ausgangsgleichrichters, an dem auch der VD-Anschluss (Drainspannung) des IC liegt. In der Realität wird die Spannung aufgrund von Überschwingern höher ausfallen, doch im Idealfall ist sie gleich der reflektierten Eingangsspannung zuzüglich der Ausgangsspannung. Bei Ausgangsspannungen über 5 V oder bei stark variierenden Eingangsspannungen kann die hier anliegende Spannung ohne weiteres die 50 V betragende Nennspannung des IC übersteigen.

Bild 3 Bild 3

Eine ebenso einfache wie kostengünstige Schaltung, die das Problem der zu hohen Spannung am VD-Pin des IC beseitigt, ist in Bild 3 zu sehen. Wie die Kurven rechts zeigen, kann die Spannung am VD-Anschluss hier nicht größer werden als die Ausgangsspannung. Ist der primärseitige FET (Q1) eingeschaltet, so ist die Spannung an den Drains von Q2 und Q3 gleich der Summe aus der reflektierten Eingangsspannung und der Ausgangsspannung. Da das Gate von Q3 mit der Ausgangsspannung verbunden ist, ist die Source-Spannung um ungefähr eine Schwellenspannung niedriger. Ist Q2 eingeschaltet, wird die Body-Diode von Q3 leitend und ihre Source wird unter das Niveau der Ausgangsspannung gezogen, was Q3 anreichert und den VD-Pin mit der Drain von Q3 verbindet.

Zusammenfassend ist zu festzustellen, dass ein selbstgesteuerter Synchrongleichrichter für einen im lückenden Betrieb arbeitenden Sperrwandler nicht realisierbar ist. Es ist stets ein gewisser Schaltungsaufwand erforderlich, um den richtigen Ansteuerzeitpunkt zu bestimmen. Möglich ist dies sowohl mit Stromwandlern als auch mit Halbleiterschaltungen, wobei letztere in Sachen Platzbedarf und Kostenaufwand überlegen sind. Schaltungen dieser Art wurden von verschiedenen Anbietern entwickelt. Sie benötigen jedoch möglicherweise einen Puffer zur Anbindung an die in Netzteilen vorkommenden hohen Spannungen und Ströme.