SMPS: Resonanzwandler

Die zunehmenden Anforderungen an leichtere, kleinere und effizientere elektronische Produkte erfordern von den Entwicklern von Stromversorgungen die Entwicklung von AC/DC- und DC/DC-Wandlern mit hoher Leistungsdichte und Effizienz. Hohe Schaltfrequenz und hoher Wirkungsgrad sind die beiden Methoden zur Verbesserung der Leistungsdichte und des Profils von Schaltnetzteilen (SMPS). 

Die Bemühungen um eine immer höhere Leistungsdichte in einem SMPS werden durch die Größe der passiven Komponenten begrenzt. Der Betrieb bei höheren Frequenzen verringert die Größe passiver Komponenten wie Transformatoren und Filter beträchtlich; die Schaltverluste waren jedoch ein Hindernis für den Betrieb bei hohen Frequenzen.

Resonanztechniken werden eingesetzt, um die Schaltverluste in Halbleiterbauelementen zu verringern und den Betrieb mit hohen Frequenzen zu ermöglichen. Bei diesen Techniken wird die Leistung sinusförmig verarbeitet, und die Schaltgeräte werden sanft kommutiert. Daher können die Schaltverluste und das Rauschen aufgrund der weichen Schalteigenschaften drastisch reduziert werden. Resonanztechniken werden sowohl in Halbbrücken- als auch in Vollbrückenwandlern eingesetzt.

Die drei gängigsten Resonanzwandler sind,

• Serien-Resonanzwandler
• Parallel-Resonanzwandler
• LLC-Resonanzwandler

Serien-Resonanzwandler

In einem Serienresonanzwandler (SRC) wird die Resonanzinduktivität (L_r) und Resonanzkondensator (C_r) sind in Reihe geschaltet und mit der Last in Reihe gelegt. Der Resonanzkörper und die Last wirken wie ein Spannungsteiler.

Die Impedanz des Resonanzbehälters kann durch Variation der Frequenz der Ansteuerspannung verändert werden (V_a).

Die Eingangsspannung wird zwischen dieser Impedanz und der reflektierten Last aufgeteilt. Da es sich um einen Spannungsteiler handelt, ist die Gleichstromverstärkung eines SRC immer kleiner als 1 (die maximale Verstärkung liegt bei der Resonanzfrequenz).

Bei geringer Last ist die Impedanz der Last im Vergleich zur Impedanz des Resonanznetzes sehr groß und die gesamte Eingangsspannung wird auf die Last übertragen. Dies macht es schwierig, die Leistung bei geringer Last zu regeln. Theoretisch sollte die Frequenz unendlich sein, um den Ausgang bei Nulllast zu regeln. 

Vorteile

• Reduzierte Schaltverluste und EMI durch Zero Voltage Switching & verbesserte Effizienz
• Geringere Größe der magnetischen Komponenten durch Hochfrequenzbetrieb

Benachteiligungen

• Bei hoher Eingangsspannung treten hohe Umlaufenergie und hohe Schaltverluste auf. Sie sind für solche Anwendungen (Front-End-DC/DC-Anwendungen) nicht geeignet.
• Pulsierender Gleichrichterstrom aus dem Ausgangskondensator, daher Begrenzung für Anwendungen mit hohem Ausgangsstrom.
• Der Ausgang kann im Leerlauf nicht geregelt werden.

Parallel-Resonanzwandler

In einem Parallel-Resonanz-Konverter (PRC) wird der Resonanzkondensator (C_r) wird parallel zur Last geschaltet, was zwangsläufig große Mengen an Umlaufstrom erfordert. Dies erschwert den Einsatz von Parallelresonanztopologien in Anwendungen mit hoher Leistungsdichte oder großen Lastschwankungen.

Die Impedanz des Resonanzbehälters kann durch Variation der Frequenz der Ansteuerspannung verändert werden (V_a). Die Primärseite des Transformators ist ein Kondensator, daher wird auf der Sekundärseite eine Induktivität hinzugefügt, um die Impedanz anzupassen.

Vorteile

• Kein Problem bei der Ausgangsregelung im Leerlauf
• Kontinuierlicher Gleichrichterstrom aus der Ausgangsinduktivität, daher geeignet für Anwendungen mit hohem Ausgangsstrom

Benachteiligungen

• Der Strom auf der Primärseite ist fast unabhängig vom Lastzustand, selbst im Leerlauf kann ein erheblicher Strom durch das Resonanznetz fließen.
• Bei hoher Eingangsspannung treten hohe Umlaufenergie und hohe Schaltverluste auf. Sie sind nicht geeignet für Anwendungen wie (Front-End-DC/DC-Anwendungen)

Halbbrücken-LLC-Resonanzwandler

Die LLC-Halbbrückentopologie besteht aus einem Rechteckgenerator, einem Serienresonanztank, einem Transformator, einer Ausgangsgleichrichterschaltung und einem Ausgangsfilter.

Der Serienresonanztank besteht aus einer Serienresonanzspule L_r, einen Serien-Resonanzkondensator C_r, und der von der Magnetisierungsinduktivität des Transformators gebildeten Lm T₁. Die Serien-Resonanzinduktivität kann ein externes Bauteil sein oder die Streuinduktivität von T₁. Die Gleichrichterschaltung, die Folgendes umfasst D₁ und D₂ wandelt den Resonanzstrom in einen unidirektionalen Strom um. Der Ausgangsfilter C_o moduliert den hochfrequenten Ripplestrom. 

Der LLC-Resonanzwandler verwendet eine Transformator-Magnetisierungsinduktivität zur Erzeugung einer weiteren Resonanzfrequenz, die viel niedriger ist als die Hauptresonanzfrequenz, die den Resonanztank umfasst. L_r und C_r. Der LLC-Resonanzwandler ist so ausgelegt, dass er mit einer Schaltfrequenz arbeitet, die höher ist als die Resonanzfrequenz des Resonanzbehälters L_r und C_r.

Schalter S₁ und S₂ arbeiten mit einem Tastverhältnis von 50%, und die Ausgangsspannung wird durch Variation der Schaltfrequenz des Wandlers geregelt. Der Wandler hat zwei Resonanzfrequenzen: eine untere Resonanzfrequenz P.₂ (gegeben durch L_m, L_r, und C_r) und eine feste höhere Serienresonanzfrequenz P.₁ (gegeben durch Lr und Cr nur).

Der typische Frequenzgang eines LLC-Resonanzwandlers ist:

Die beiden Resonanzfrequenzen sind:

Der Gütefaktor des Resonanzbehälters ist:

RAC = Äquivalenter Wechselstromwiderstand,  n = Umdrehungsverhältnis

Die Eigenschaften eines LLC-Resonanzwandlers lassen sich je nach Betrieb in drei Bereiche unterteilen.

Region 1 ist dem SRC-Betrieb ähnlich. Wenn die Schaltfrequenz höher ist als P.₁, läuft der Wandler im ZVS-Bereich, und die Magnetisierungsinduktivität ist nicht an der Resonanz beteiligt. In diesem Bereich, der auch als induktiver Lastbereich bezeichnet wird, ist die Spannungsverstärkung des LLC-Resonanzwandlers immer kleiner als eins.

Region 2 ist der Bereich des Multi-Resonanz-Konverters (MRC). Zwischen P.₁ und P.₂, Die Lastbedingung bestimmt den Betrieb des Umrichters unter ZVS- und ZCS-Bedingungen, die Spannungsverstärkung des Umrichters erreicht ihren Höchstwert. In diesem Bereich verursacht die in den magnetischen Komponenten gespeicherte Energie ZVS für das gegenüberliegende Schaltgerät.

Region 3 ist der überlastete Bereich. Wenn die Schaltfrequenz höher ist als P.₂, läuft der Umrichter immer im ZCS-Zustand. Dieser Bereich wird als kapazitiver Modusbereich bezeichnet, Schalter S₁ und S₂ sind hart geschaltet und haben hohe Schaltverluste. Daher sollte der ZCS-Betrieb immer vermieden werden.

Im Allgemeinen ist der LLC-Resonanzwandler aufgrund der Ausgangsregelung und des ZVS-Betriebs für den Betrieb in den Regionen 1 und 2 ausgelegt. Schaltet S₁ und S₂ kann für den gesamten Lastbereich weich geschaltet werden, indem der Umrichter im induktiven Lastbetrieb (ZVS-Bereich) betrieben wird. Sie kann entweder oberhalb oder unterhalb der Resonanzfrequenz liegen P.₁. Die erforderliche Verstärkung wird durch das Verhältnis zwischen der Eingangs- und der Ausgangsspannung bestimmt, das wie folgt dargestellt werden kann:

g = Spannungsverstärkung für LLC-Resonanzwandler

V_o = Ausgangsspannung

V_IN = Eingangsspannung

Aus dieser Gleichung geht hervor, dass die Spannungsverstärkung umso höher ist, je niedriger die Eingangsspannung ist.

Vorteile

• Geringe Frequenzschwankungen über einen breiten Leitungs- und Lastbereich machen diese Topologie zur besten Wahl für DC-DC-Anwendungen im Front-End-Bereich.
• ZVS-Fähigkeit für den gesamten Lastbereich, niedriger Abschaltstrom, daher sehr geringe Schaltverluste.
• Nullspannungsschaltung auch im Leerlauf
• Alle wesentlichen parasitären Elemente, einschließlich der Sperrschichtkapazitäten aller Halbleiterbauelemente und der Streuinduktivität des Transformators, werden genutzt, um eine weiche Schaltung zu erreichen.
• Keine Ausgangsdrossel erforderlich, was zu Kosteneinsparungen führt
• Integrierte Magnetik: Wenn ein Transformator in einem LLC-Wandler verwendet wird, können die Magnetisierungsinduktivität und die Streuinduktivität im Resonanzkreis genutzt werden, anstatt eine separate externe Induktivität zu verwenden.
• Hoher Wirkungsgrad von > 96% und hohe Leistung bis zu 1 kW.

Benachteiligungen

• Höherer Ripplestrom auf der Sekundärseite, daher sind Kondensatoren mit niedrigerem ESR erforderlich

Anwendungen

• LED- und LCD-Fernseher
• Computer und Laptops
• Industrielle LED-Beleuchtung
• High-End-Audio
• Haushaltsgeräte
• Industrielle Batterieladegeräte