Wie eine Zwischenkreisspannung den Wirkungsgrad verbessert

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

(Bild: Sabina Ehnert)

In diesem Power-Tipp erklären wir, wie man die Wandlereffizienz mit Hilfe einer Zwischenkreisspannung erhöhen kann. Obwohl die Energie einer kaskadierten Lösung durch zwei Schaltregler geführt wird, ist die Effizienz höher als bei der direkten Wandlung.

Es gibt unterschiedliche Lösungen, um eine hohe Versorgungsspannung auf eine sehr niedrige Spannung zu wandeln. Ein interessanter Anwendungsfall ist die Spannungswandlung von 48 in 3,3 V, wie es bei IT-Servern oder bei Telekommunikationsanwendungen häufig der Fall ist.

Setzt man einen Abwärtswandler für die Spannungskonvertierung (Bild 1) ein, stößt man auf das Problem der kleinen Einschaltdauer (Duty Cycle). Bei einem Abwärtswandler berechnet sich die Einschaltdauer – also das Zeitverhältnis zwischen einem eingeschalteten Schalter Q1 und dem eingeschalteten Q2 – aus dem Quotienten von Ausgangsspannung und Eingangsspannung.

Bei einer Eingangssapannung von 48 V und einer Ausgangsspannung von 3,3 V ergibt sich somit eine Einschaltdauer von ca. 7%. Das bedeutet, dass bei einer Schaltfrequenz von 1 MHz, also 1000 ns pro Taktperiode, der Schalter Q1 nur für ca. 70 ns eingeschaltet ist. Für 930 ns ist der Schalter Q1 abgeschaltet und Q2 ist eingeschaltet.

Hierfür muss ein Schaltregler ausgewählt werden, der eine minimale Einschaltzeit von Q1 von weniger als 70 ns zulässt. Hat der Ingenieur einen solchen Schaltregler gefunden, gibt es noch ein Problem. Die üblicherweise sehr hohe Effizienz eines synchronen Abwärtswandlers nimmt mit sehr kurzen Einschaltzeiten stark ab. Das liegt daran, dass nur für kurze Zeit Energie in der Induktivität gespeichert werden kann und dann für lange Zeit Energie aus der Spule geholt werden muss.

Dies führt zu sehr hohen Spitzenströmen in der Schaltung. Zudem muss der Wert der Induktivität L1 in Bild 1 sehr hoch sein, da während der Einschaltzeit von Q1 eine sehr hohe Spannung anliegt. In unserem Beispiel 44,7 V. An der Schaltknotenseite 48 V, an der Ausgangsspannungsseite 3,3 V. Der Induktivitätsstrom folgt Gleichung 1.

(Gl. 1)
(Gl. 1)

Somit steigt der Induktivitätsstrom bei einem festen Induktivitätswert mit zunehmender Spannung, die über die Induktivität angelegt wird, stärker an, als bei angelegter niedriger Spannung. Um Spitzenströme zu reduzieren muss ein höherer Induktivitätswert verwendet werden. Dieser trägt in der Schaltung ebenfalls zu erhöhten Leistungsverlusten bei. Das µModule LTM8027 schafft unter diesen Bedingungen bei einem Ausgangsstrom von 4 A eine Leistungseffizienz von gerade 80%.

Die Wandlungseffizienz kann man effizienter mit einer Zwischenkreisspannung erhöhen. Eine kaskadierte Anordnung mit zwei effizienten Abwärtswandlern ist in Bild 2 gezeigt. Aus 48 V werden im ersten Schritt 12 V erzeugt. Diese werden in der zweiten Stufe in 3,3 V umgewandelt. Bei einer Wandlung von 48 auf 12 V hat das µModul LTM8027 eine Effizienz von über 92%. Die anschließende Wandlung von 12 auf 3,3 V kommt mit einem LTM4624 auf einen Wirkungsgrad von 90%. Somit ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad der Schaltung in Bild 2 von ca. 83%. Das ist drei Prozent höher als bei der direkten Wandlung (Bild 1), obwohl die Energie in der kaskadierten Lösung durch zwei Schaltregler geführt wird. Die Effizienz der Schaltung in Bild 1 ist jedoch niedriger, da die kurze Einschaltdauer und die damit verbundenen hohen Stromspitzen in der Induktivität hohe Verluste verursachen.

Eine Zwischenkreisspannung zu generieren kann also durchaus sinnvoll sein, um die Gesamteffizienz einer Spannungsversorgung zu erhöhen. Es wird oft versucht, die Effizienz der Schaltung in Bild 1 auch mit kurzer Einschaltdauer gravierend zu verbessern, z.B. mit schnellen GaN-Schaltern. Das ist teuerer als eine kaskadierte Lösung.

* Frederik Dostal arbeitet im Technischen Management für Power Management in Industrieanwendungen bei Analog Devices in München.

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