SMPS: Asymmetrische isolierte Wandler

Der letzte Artikel unserer Serie über getaktete Stromversorgungen (SMPS) abgedeckt nicht-isolierte Wandlertopologien. Jetzt werden wir Folgendes untersuchen isolierte Wandler, beginnend mit asymmetrischer Wandler Topologien.

Isolierter Konverter Übersicht

Isolierte Topologien in Schaltnetzteilen verwenden einen Hochfrequenztransformator als Isolator zwischen dem Schaltelement und dem Ausgang. Je nach dem Windungsverhältnis des Transformators kann die Ausgangsspannung höher oder niedriger als die Eingangsspannung sein. Transformatorbasierte SMPS-Topologien können so konzipiert werden, dass sie durch Verwendung mehrerer Wicklungen mehrere Ausgangsspannungen erzeugen.

Isolierte Wandler werden in zwei Hauptkategorien unterteilt, die als asymmetrische und symmetrische Wandler bezeichnet werden, je nachdem, wie der Transformator genutzt wird.

Unter asymmetrische Wandler der magnetische Arbeitspunkt des Transformators liegt immer in einem Quadranten. Der Kern muss bei jedem Schaltzyklus neu eingestellt werden, um eine Sättigung zu vermeiden, was bedeutet, dass immer nur die Hälfte des nutzbaren Flusses ausgenutzt wird. Flyback- und Vorwärtswandler sind beide asymmetrische Wandler.

Die B-H-Kurve zeigt deutlich, dass der Sperrwandler mit einer niedrigeren Permeabilität (B/H) und einer geringeren Induktivität betrieben wird als die anderen Topologien. Da der Sperrwandler eigentlich eine gekoppelte Induktivität ist, die die gesamte Energie speichert, bevor sie an die Last abgegeben wird, ist ein Luftspalt erforderlich, um diese Energie zu speichern und eine Kernsättigung zu verhindern. Der Luftspalt bewirkt, dass die Gesamtpermeabilität des Kerns verringert wird. Alle anderen Wandler arbeiten als echte Transformatoren und speichern im Idealfall keine Energie, so dass kein Luftspalt erforderlich ist.

Symmetrische Wandler erfordern eine gerade Anzahl von Schaltern, und der volle verfügbare Flusshub in beiden Quadranten der B-H-Schleife wird genutzt, wodurch der Kern viel effektiver genutzt wird. Daher können sie mehr Leistung erzeugen als asymmetrische Wandler. Gegentakt-, Halbbrücken- und Vollbrückenwandler sind allesamt symmetrische Wandler.

Asymmetrische Konverter

Flyback-Wandler

Ein Sperrwandler (FBT) wird auch als isolierter Buck-Boost Wandler und wird sowohl für die AC-DC- als auch die DC-DC-Wandlung mit galvanischer Trennung zwischen Eingang und Ausgang verwendet. Flyback-Wandler bieten Isolierung durch den Einsatz eines Transformators, der als Speicherinduktor fungiert. Der Transformator sorgt nicht nur für die Isolierung, sondern durch Variation des Windungsverhältnisses kann die Ausgangsspannung angepasst werden, und es sind mehrere Ausgänge möglich.

Flyback-Wandler werden häufig für Anwendungen mit geringer Leistung bis zu 150 W eingesetzt und können auch für höhere Ausgangsspannungen bis zu 400 V bei einer geringen Ausgangsleistung (15-20 W) ausgelegt werden.

Die Hauptkomponenten eines Sperrwandlers sind der obere Schalter, der Oszillatorkreis, der Transformator, die Diode und der Kondensator. Der Sperrwandler funktioniert anders als ein normaler Transformator, da die Primär- und Sekundärseite nicht gleichzeitig leiten.

Das Prinzip des Sperrwandlers basiert auf der Speicherung von Energie in der Induktivität während der T_auf Zeitraum und die Abgabe der Energie an die Last während T_aus Zeitraum.

Wenn der Schalter gedreht wird ON, Die Primärwicklung des Transformators ist direkt mit dem Eingang verbunden, und ihr Punkt wird gegenüber dem nicht punktförmigen Ende positiv. Die in der Sekundärwicklung induzierte Spannung ist negativ, die Diode ist in Sperrichtung vorgespannt (blockiert), so dass sich der Transformator wie eine Induktionsspule verhält. Der Primärstrom und der magnetische Fluss im Transformator nehmen zu und speichern Energie. Während der T_auf Zeit liefert der Ausgangskondensator Energie an die Last. Der Wert des Ausgangskondensators sollte also groß genug sein, um den Laststrom für die Dauer des Zeitraums T_auf, mit dem angegebenen maximalen Abfall der Ausgangsspannung.

Wenn der Schalter gedreht wird AUS, kehrt sich die Sekundärspannung aufgrund des kollabierenden Magnetfelds um, die Ausgangsgleichrichterdiode D1 wird in Durchlassrichtung vorgespannt, und die im Transformatorkern gespeicherte Energie lädt den Kondensator wieder auf und versorgt die Last.

Am Ende der ON Zeitraum, wenn der Schalter gedreht wird AUS, Es gibt keinen Strompfad, um die im Magnetkern des Zeilentransformators gespeicherte Streuenergie abzuführen. Es gibt viele Möglichkeiten, diese Streuenergie abzuführen, darunter die Einzelschalter- mit Snubber-Konstruktion und die Zwei-Schalter-Topologie.

Die Implementierung von Einzelschaltern ist effizient, erfordert jedoch ein Snubber-Design oder einen Resonanzansatz, um die durch die Streuinduktivität des Transformators erzeugten Spannungsspitzen zu begrenzen. Die Zwei-Schalter-Topologie unterdrückt die Spannungsspitzen aktiv, erhöht aber die Komplexität der Schaltung.

Magnetisierung der gespeicherten Energie in einem Flyback-Transformator:

Wobei EP = Joule IPK= Ampere & LM= Henries

V_aus/V_in Beziehung

V_in > V_aus oder V_in < V_aus

Bereich der Einschaltdauer = 0 bis < 0,5

Luftspalt

Um eine ausreichend hohe gespeicherte Energie zu erhalten, muss die Primärinduktivität deutlich niedriger sein als bei einem echten Transformator, und es wird ein hoher Spitzenstrom benötigt. Dies wird in der Regel durch das “Gapping” des Kerns erreicht. Durch den Luftspalt wird die Induktivität verringert, und der größte Teil der hohen Spitzenenergie wird dann im Kernspalt gespeichert, wodurch eine Sättigung des Kerns verhindert wird. Der Luftspalt ändert den Wert der Sättigungsflussdichte (BSAT) des Kernmaterials nicht; er erhöht jedoch die magnetische Feldstärke H, um die Sättigung zu erreichen, und verringert die Restflussdichte BR.

Betriebsmodi

Der Sperrwandler hat zwei Betriebsarten, je nachdem, ob die Primärinduktivität des Transformators vollständig entmagnetisiert ist oder nicht.

Unter diskontinuierlicher Betrieb, Der Sekundärstrom fällt in jeder Schaltperiode auf Null, und die gesamte Energie wird vor dem nächsten Zyklus vollständig an die Last abgegeben, und es gibt auch eine Totzeit zwischen dem Zeitpunkt, an dem der Sekundärstrom Null erreicht, und dem Beginn des nächsten Zyklus. Dies wird als Dreiecksbetrieb bezeichnet.

Unter Dauermodus, wird die in der Induktivität gespeicherte Energie nicht vollständig auf den Ausgangskondensator und die Last übertragen, bevor die nächste Ladeperiode beginnt. Dies wird als trapezförmiger Betrieb bezeichnet. Der Hauptvorteil des Dauerbetriebs besteht darin, dass die fließenden Spitzenströme bei gleicher Ausgangsleistung nur halb so groß sind wie beim diskontinuierlichen Betrieb, so dass eine geringere Ausgangswelligkeit möglich ist. Allerdings ist die Kerngröße im Dauerbetrieb etwa 2- bis 4-mal größer, um die höhere Induktivität zu erreichen, die zur Verringerung der Spitzenströme und zur Erzielung von Kontinuität erforderlich ist.

Vorteile

• Ein Zeilentransformator ist in Wirklichkeit eine Speicherdrossel, daher ist keine separate Drossel erforderlich. Die einfache Schaltung und die geringe Anzahl der Bauteile machen die Sperrwandlertopologie zu einer kostengünstigen und beliebten Topologie.
• Problemlose Anpassung an mehrere Ausgänge

Benachteiligungen

• Großer Ausgangskondensator erforderlich, um den Ripplestrom zu reduzieren
• Hohe Isolationsanforderungen können die enge Kopplung von Primär- und Sekundärwicklung verringern.
• Hohe Wirbelstromverluste im Luftspaltbereich
• EMI-Überlegungen
• Schlechte Nutzung des Transformators, da es sich um einen Single-Ended-Transformator handelt

Anwendungen

• Schaltnetzteile mit niedrigem Stromverbrauch (Handy-Ladegeräte, Standby-Netzteile in PCs)
• Kostengünstige Netzteile mit mehreren Ausgängen (z. B. Haupt-PC-Netzteile <200 W)
• Hochspannungsversorgung für CRTs in Fernsehern und Monitoren
• Hochspannungserzeugung (z. B. für Xenon-Blitzlampen, Laser, Kopierer usw.)
• Isolierter Gate-Treiber

Vorwärts-Konverter

Ein Durchflusswandler ist im Wesentlichen ein Abwärtswandler, der einen unidirektionalen Impulstransformator verwendet, um die Last galvanisch zu isolieren und die Spannungsumwandlung (AC-DC & DC-DC) als Abwärtsfunktion bereitzustellen.

Der Durchflusswandler ist im Vergleich zur Sperrwandlerschaltung im Allgemeinen energieeffizienter und wird für Anwendungen verwendet, die eine etwas höhere Ausgangsleistung erfordern (im Bereich von 100 W bis 250 W). Allerdings ist die Schaltungstopologie, insbesondere die Ausgangsfilterung, nicht so einfach wie beim Sperrwandler.

Im Gegensatz zum Sperrwandler wirkt der Durchflusswandler wie ein echter Transformator (der auf einem Transformator mit gleichpoligen Wicklungen, höherer magnetisierender Induktivität und ohne Luftspalt basiert) und speichert keine Energie während der Durchlasszeit des Schaltelements. Dies liegt daran, dass Transformatoren mit ungeschaltetem Kern keine nennenswerte Energiemenge speichern können, wie dies bei Induktoren der Fall ist. Stattdessen wird die Energie während der Durchlassphase des Schalters durch die Wirkung des Transformators direkt an den Ausgang des Durchflusswandlers weitergeleitet. Die Ausgangsspannung wird durch die Eingangsspannung, das Übersetzungsverhältnis des Transformators und das Tastverhältnis bestimmt. Die Energie wird in der Ausgangsstufe des Wandlers in der Induktivität und im Kondensator gespeichert. Die Ausgangsinduktivität reduziert die Brummströme im Ausgangskondensator, und das Volumen des Transformators ist von der Schaltfrequenz und der Verlustleistung abhängig.

Wenn der Schalter auf ON, wird die Energie auf die Last übertragen und in Lo über D₁ und Transformator.

Wenn der Schalter auf AUS, die gespeicherte Energie in Lo wird auf die Last übertragen durch D₂. Diode D₁ bleibt in diesem Modus ausgeschaltet und isoliert den Ausgangsteil der Schaltung vom Transformator und dem Eingang.

V_aus/V_in Beziehung

Bereich der Einschaltdauer = 0 bis < 0,5

Am Ende der ON Zeitraum, wenn der Schalter gedreht wird AUS, Es gibt keinen Strompfad, über den die im Magnetkern gespeicherte Energie abgeleitet werden könnte. Wenn ein Kern in einer unidirektionalen Weise betrieben wird (Strom wird nur aus einer Richtung in den Primärkreis geleitet), muss der Kern zurückgesetzt werden. Der Kern des Transformators ist durch den Magnetisierungsstrom magnetisiert worden. Die Remanenz des Kernmaterials würde den Kern innerhalb weniger Schaltzyklen in die Sättigung bringen, so dass er nach jeder Schaltperiode entmagnetisiert werden muss. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Techniken angewandt, darunter:

• Ein Schalter mit Rückstellwicklung
• Zwei Schalter vorwärts
• Aktive Klemme vorwärts

Ein Schalter mit Reset-Wicklung

Die einfachste Option ist ein Schalter mit Reset-Wicklung. Bei dieser Methode induziert der im Magnetkern gespeicherte Fluss eine negative Spannung am Punktende der NR-Wicklung, die die Diode vorspannt D₃ und setzt die im Kern gespeicherte Magnetisierungsenergie zurück. Daher wird die NR-Wicklung als zurücksetzen Wicklung. Die Rückstellung des Magnetisierungsstroms während der AUS-Periode ist wichtig, um eine Sättigung zu vermeiden.

Die Rückstellwicklung ist bifilar mit der Primärwicklung gewickelt, um eine gute Kopplung zu gewährleisten und die Streuinduktivität zu minimieren, und hat normalerweise die gleiche Windungszahl wie die Primärwicklung. (Die Drahtstärke der Rückstellwicklung kann sehr klein sein, da sie nur den geringen Magnetisierungsstrom leiten muss). Die Zeit, in der die Magnetisierungsenergie auf Null sinkt, entspricht also der Einschaltdauer des Schalters. Das bedeutet, dass das maximale theoretische Tastverhältnis des Durchflusswandlers 0,5 beträgt und nach Berücksichtigung der Schaltverzögerungen auf 0,45 sinkt. Die maximale Sperrspannung des Schalters ist aufgrund der Nichtlinearität der Komponenten und der Streuinduktivität des Transformators mehr als doppelt so hoch wie die Eingangsspannung.

Die unvollständige Ausnutzung der Magnetik, die Begrenzung des maximalen Tastverhältnisses und die hohe Spannungsbelastung des Schalters machen einen Durchflusswandler für eine Ausgangsleistung von bis zu 150 W realisierbar. Durch den nicht pulsierenden Ausgangsinduktionsstrom eignet sich der Durchflusswandler gut für Anwendungen mit sehr hohem Laststrom (> 15 A). Das Vorhandensein der Ausgangsinduktivität schränkt den Einsatz eines Durchflusswandlers in einer Anwendung mit hoher Ausgangsspannung (> 30 V) ein, die eine sperrige Induktivität erfordert, um der hohen Ausgangsspannung entgegenzuwirken.

Zwei Schalter vorwärts

Um die Verwendung von Schaltern mit höherer Spannung zu vermeiden, kann die Vorwärtsmethode mit zwei Schaltern zur Entmagnetisierung des Kerns verwendet werden. Die Spannung an den Schaltern wird wieder auf V_in, Dies ermöglicht den Einsatz von schnelleren und effizienteren 400-V- oder 500-V-Geräten für 220-V-Netzanwendungen. Die Rückstellung der Magnetisierung wird durch die beiden Klemmdioden erreicht, die das Entfernen der Rückstellwicklung ermöglichen.

Die Version mit zwei Schaltern ist für Offline-Anwendungen beliebt. Sie bietet eine höhere Ausgangsleistung (150 W bis 350 W) und schnellere Schaltfrequenzen. Die Nachteile sind wiederum die zusätzlichen Kosten für die höhere Anzahl von Bauteilen und die Notwendigkeit eines isolierten Antriebs für den Hochspannungsschalter.

Aktive Klemme vorwärts

Weitere Möglichkeiten zur Entmagnetisierung durch Verwendung von Durchflusswandlern mit aktiver Klemmung. Bei der aktiven Klemmung erzeugt der Kondensator am Transformator eine höhere negative Spannung, so dass die Entmagnetisierung in kürzerer Zeit erreicht wird. Dies bedeutet, dass höhere Einschaltdauern als 50% möglich sind.

Das Hinzufügen der aktiven Klemme hat eine Reihe von Vorteilen. Die Rückstellwicklung des Transformators ist nicht mehr erforderlich und die Spannung am Schalter S₁ Spitzenwerte bei V_in und nicht 2 × V_in. Der Gesamtwirkungsgrad ist höher, da die Diodenverluste vermieden werden und nur der Entmagnetisierungsstrom durch den Schalter fließt. S₂.

Der Nachteil der aktiven Klemme ist, dass ein zweites PWM-Signal erzeugt und geschaltet werden muss. S₂ benötigt einen High-Side-Treiber. Es gibt jedoch viele Controller-ICs, die die erforderlichen Timing-Schaltungen und High-Side-Treiber intern integrieren. Der Klemmkondensator C_Klammer hat einen hohen Ripplestrom, so dass sehr darauf geachtet werden muss, dass er nicht überhitzt wird.

Vorteile

• Hoher Leistungsbereich im Vergleich zu Flyback
• Bessere Nutzung des Transformators
• Niedrigerer Spitzenstrom
• Geringer Ripplestrom (kleiner Ausgangskondensator)
• Mehrere Ausgänge sind möglich
• Relativ einfache Schaltung mit mittlerer Bauteilanzahl

Benachteiligungen

• Die Kosten werden durch die zusätzliche Ausgangsinduktivität und die Freilaufdiode erhöht.
• Höhere Anzahl von Bauteilen, insbesondere bei mehreren geregelten Ausgängen.
• Hochspannungsbedarf für den oberen Schalter
• Große Ausgangsinduktivität erforderlich

Anwendungen

• ATX-Netzteil
• AC-Adapter
• Solarstromanlage
• Personal Computer

Der nächste Artikel in unserer SMPS-Serie wird sich mit der zweiten Hauptgruppe der isolierten Topologien befassen: symmetrisch isolierte Wandler.