Schaltnetzteile - antriebstechnik.fh

Gleichspannungs-Wandler
Zum Wandeln von Gleichspannungen über einen größeren Bereich hinweg werden Transformatoren eingesetzt, welche
primärseitig in schnellem Rhythmus geschaltet werden (primär getaktete Netzteile). Auf der Sekundärseite werden
Gleichrichterschaltungen eingesetzt. Je höher die Schaltfrequenz ist, desto kleiner sind Transformator und Siebglieder.
Sie beträgt typischerweise 50 kHz bis über 1 MHz. Die Schaltfrequenz ist durch die Schaltverluste der verwendeten Bauelemente begrenzt: Die Verluste der Halbleiterschalter (meist MOSFET und Schottky-Dioden) sind durch deren Durchlaßkennlinie und insbesondere ihrer Schalteigenschaften gegeben. Die Verluste des Trafos setzen sich aus den
Wirbelstromverlusten und den Hystereseverlusten des Kerns, sowie den Wicklungsverlusten zusammen. Auch die Wicklungsverluste steigen mit der Schaltfrequenz infolge des Skineffekts an. Als Kernmaterial werden daher Ferrite und als
Wicklungsdraht Hf-Litze verwendet. Wegen der Kernverluste ist die maximale Flußdichte etwa 0,3 T. Die Siebkondensatoren müssen eine sehr kleine Zuleitungsinduktivität besitzen. Ihr Ersatzserienwiderstand bewirkt die Kondensatorverluste. Bei allen Schaltnetzteilen muß absolut vermieden werden, daß der Kern in Sättigung gerät, da die Wicklungen
dann ihre Induktivität verlieren und der Strom in Bruchteilen einer Mikrosekunde zerstörerische Werte erreicht.
i1
a) Sperrwandler:
Die Polung des Gleichrichters ist so gewählt,
daß bei eingeschaltetem Primärkreis die sekundäre Gleichrichterdiode sperrt. In dieser
Phase wird Energie im Trafo gespeichert.
Wird der Schalter geöffnet, so bewirkt die
gespeicherte Energie, daß das Produkt Strom
Windungszahl unmittelbar vor und nach
dem Schalten konstant ist: i1 * w1 = i2 * w2 .
Bei geöffnetem Primärschalter kehrt sich
daher die sekundäre Trafospannung um und
die gespeicherte Energie wird über die
Gleichrichterdiode an den Glättungskondensator abgegeben. Die Größe des Transformators begrenzt die übertragene Leistung.
Durch das Verhältnis der Einschaltdauer zur
Ausschaltdauer des Schalters kann die Ausgangsspannung eingestellt werden.
Vorteile:
Nachteile:
U1
Ua =
U2
Ua
Ue
Us
+
i
Einfache Schaltung, wenige
Bauelemente, leichte Regelbarkeit der Ausgangsspannung,
guter Wirkungsgrad, mehrere
Ausgangsspannungen möglich.
Hohe Spannungsbelastung des
Transistors, relativ großer
uS
Trafo mit Luftspalt (Streuin- U +ü*U
a
duktivität), begrenzte Leistung e
(bis ca. 100 W), hohe SpanUe
nungsspitzen wegen der Streuinduktivität, nicht leerlaufstabil
Ausgangsspannung:
ü : 1
i2
U e Te
ü Ta
i
i1
2
t
Te
Ta
T = 1/f
t
u1
max. Transistorspannung
Ue
U s max = U e + ü * U a
(zuzüglich Schaltspannungsspitzen!)
t
Wird der Kern in der Sperrphase gerade vollständig entmagnetisiert (Tastverhältnis 1:1), wird er gut ausgenützt und
der Strom ist dreieckförmig. Aus den Gleichungen für die gespeicherte Energie W und für die Stromänderung an der
Primärinduktivität läßt sich letztere bestimmen:
B~U
1 ˆ2
i1 * L1 P = f * W
2
U
iˆ1
T = 1 / f (Taktperiode)
= e
T / 2 L1
W =
B max
∆B
Wird nicht vollständig entmagnetisiert (Ströme siehe vorige
Seite!), muß darauf geachtet werden, daß der Kern nicht in
Sättigung gerät. Die übertragene Leistung ist dann:
P = f * ∆B * ∆H * VFe mit dem Kernvolumen VFe
∆Η
H = i*w / l FE
b) Durchflußwandler:
Die Schaltung besteht aus einem primär getakteten Transformator. Er überträgt die Energie in der Einschaltphase an
den sekundären Gleichrichter mit induktiver Glättung und Freilaufdiode. Da keine negative Spannung für eine Ummagnetisierung sorgen kann, ist eine eigene Entmagnetisierungswicklung im Transformator vorhanden, welche über
eine Diode die magnetische Energie während der Ausschaltphase in die primäre Batterie zurückspeist.
Im ersten Takt leitet der Schalttransistor. Die Polung der Wicklungen ist so, daß auch die Diode D2 leitet und damit
in dieser Phase Energie übertragen wird. Der sekundär fließende Strom erscheint mit dem Übersetzungsverhältnis reduziert in der Primärwicklung. Zusätzlich fließt in dieser Wicklung ein im Vergleich zum Laststrom kleiner Magnetisierungsstrom iM. Der Verlauf des Sekundärstromes und damit auch des größten Teils des Primärstromes wird durch
die Spannung an der sekundären Glättungsdrossel bestimmt. Wird der Schalter geöffnet, wird der Strom der Primärwicklung unterbrochen. Sowohl der transformierte Strom als auch der Magnetisierungsstrom werden schlagartig Null.
i 1 =i 2 /ü +i M
i2
L Dr
+
U2
Ue
i D1
Ua
D3
U1
D1
D2
Us
i D3
Die gespeicherte magnetische Energie des Kerns erzwingt einen Entmagnetisierungsstrom in der dritten Wicklung
über die Entmagnetisierungsdiode D1 . Es gilt: iM *w1 = iD1 * w3 .. Gleichzeitig bewirkt die sekundäre Glättungsdrossel, daß ihr Strom über die Freilaufdiode D3 weiterfließen kann. Er nimmt jedoch wegen der fehlenden Trafospannung
rasch ab.
Der Trafokern wird nur durch einen Bruchteil des fließenden Stromes magnetisiert. Bei gleicher Baugröße des
Transformators kann hier wesentlich mehr Leistung übertragen werden als beim Sperrwandler.
Vorteile:
Nachteile:
geringer Strombelastung der Halbleiter wegen des fast rechteckförmigen Stromes, leichte Regelbarkeit
der Ausgangsspannung, guter Wirkungsgrad, kleiner Trafo ohne Luftspalt (geringe Streuinduktivität),
geringe Spannungsbelastung der Halbleiter, hohe Ausgangsleistung (bis ca. 500 W)
aufwendige Schaltung, komplizierter Transformator, Glättungsdrossel mit Luftspalt erforderlich
Ua =
Ausgangsspannung
U e Te
ü T
max. Transistorspannung Us =2*Ue
i
i
i
D3
2
t
TE
T = 1/f
iM
Entmagnetisierungs-
Magnetisierungs-
strom I D1
strom I M1
2 * TE
iL
Ia
u
ΙLmax
ΙLmin
S
2U e
Ue
u
1
Ue
u
L
ü*U1 - U a
∆ IL
c) Gegentakt-Durchflußwandler:
Die primären Schalter sind in einer Brückenschaltung (Vollbrücke oder wie hier gezeigt
Halbbrücke) angeordnet und arbeiten im Gegentakt. Sekundärseitig wird eine M2 (oder
B2)-Gleichrichterschaltung eingesetzt. In
beiden Takten wird Leistung übertragen. Eine
gute Trafoausnützung und ein guter Wirkungsgrad kennzeichnen diesen Wandler. Er
wird bei hohen Ausgangsleistungen eingesetzt.
Vorteile:
Nachteile:
geringer Strombelastung der Halbleiter wegen des fast rechteckförmigen Stromes, leichte Regelbarkeit
der Ausgangsspannung, guter Wirkungsgrad, kleiner Trafo ohne Luftspalt (geringe Streuinduktivität),
geringe Spannungsbelastung der Halbleiter, hohe Ausgangsleistung (einige kW)
aufwendige Schaltung, mehrere Gleichrichterdioden notwendig, Ansteuerung des Transistors auf
+Potential aufwendig.
Ausgangsspannung
Ua =
U e Te
2ü T
max. Transistorspannung Us =Ue
d) Gleichrichter mit sinusförmiger Stromaufnahme
Die Schaltung besteht aus einem Brückengleichrichter mit sehr kleinem Kondensator (praktisch keine Glättung) und einem Hochsetzsteller.
Der Gleichrichter liefert positive Netzhalbwellen und der dem Gleichrichter entnommene Strom wird durch den
Hochsetzsteller pulsförmig mit hoher Frequenz (ca. 100 kHz) zerhackt und über eine Reglerschaltung der anliegenden sinusförmigen Netzspannung nachgeführt. Der der mittlere Gleichrichterstrom und damit auch der
Netzstrom werden sinusförmig moduliert und der Leistungsfaktor der Schaltung liegt sehr nahe bei 1. Nur die
hohe Pulsfrequenz muß durch Netzfilter herausgesiebt werden.
L
iS
~
D1
iD1
C
R shunt
I ist
MC 34362
I soll
PWM
Uist
R Last
Wird der Transistor eingeschaltet, steigt der Strom entsprechend der momentanen Gleichrichterspannung (welche die Form positiver Sinushalbwellen hat) und der Induktivität L an und durch den Transistor fließen die
schattierten Ströme. Übersteigt der Transistorstrom den Sollwert (ideale Sinuskurve), so schaltet der Transistor ab und der Strom im Gleichrichter fließt über die Diode in den lastseitigen Glättungskondensator, lädt diesen auf und nimmt dabei ab (die nicht schattierten Stromflächen in der Zeichnung). Unterschreitet der Strom
den Sollwert, so wird der Transistor wieder eingeschaltet. Je höher die Schaltfrequenz (d. h. je kleiner die Induktivität L ist) und je schneller das Steuer-IC arbeitet, desto besser wird der Leistungsfaktor und um so kleiner werden die benötigten Siebmittel.
i~
iS
iD1
t