SMPS: Symmetrische isolierte Wandler

Der vorherige Artikel in unserer Serie über Schaltnetzteile (SMPS) behandelte asymmetrische isolierte Umrichtertopologien. Jetzt werden wir mehrere Untersuchungen durchführen symmetrisch isolierte Wandler sowie ihre Vor- und Nachteile für verschiedene Anwendungen.

Symmetrische Wandler erfordern eine gerade Anzahl von Schaltern. Der gesamte verfügbare Flusshub in beiden Quadranten der B-H-Schleife wird genutzt, wodurch der Kern viel effektiver genutzt wird. Daher kann er mehr Leistung erzeugen als asymmetrische Wandler. Push-Pull, Halbbrücke, und Vollbrücke Wandler sind alle symmetrische Wandler.

Push-Pull-Konverter

Ein Gegentaktwandler ist ein bidirektionaler Wandler, der einen Transformator zur galvanischen Trennung der Last und zur Spannungsumwandlung (AC-DC und DC-DC) verwendet.

Push-Pull-Wandler werden eingesetzt, wenn die Eingangsspannung stark schwankt und die Ausgangsspannung geringer ist als die Eingangsspannung. Sie können bei Leistungen im Bereich von 100 W bis 500 W eingesetzt werden.

Der in einem Gegentaktwandler verwendete Transformator besteht aus einer Primärseite mit Mittelabgriff und einer Sekundärseite mit Mittelabgriff. Die Schalter S₁ und S₂ werden von der Steuerschaltung angesteuert, wobei jeder Schalter abwechselnd angesteuert wird, so dass der Transformator in beide Richtungen betrieben wird. Der Push-Pull-Transformator ist in der Regel nur halb so groß wie bei den Single-Ended-Typen, was zu einer kompakteren Bauweise führt.

Diese Push-Pull-Aktion bewirkt eine natürliche Kernrückstellung während jedes Halbzyklus, so dass keine Klemmwicklung erforderlich ist. Die Leistung wird während jeder Schaltperiode an den Abwärtssteuerungs-Ausgangsschaltkreis übertragen. Das Tastverhältnis jedes Schalters beträgt in der Regel weniger als 0,45. Damit ist genügend Totzeit vorhanden, um eine Querleitung der Schalter zu verhindern. Die Leistung kann nun für bis zu 90% der Schaltperiode an den Ausgang übertragen werden, was eine höhere Durchsatzleistung als bei Single-Ended-Typen ermöglicht.

Wenn der Schalter S₁ ist ON und Schalter S₂ ist AUS, wird die Energie über die Sekundärseite des Transformators an die Last übertragen. NS₂, D₄ und Lo.

Wenn der Schalter S₂ ist ON und Schalter S₁ ist AUS, wird die Energie über die Sekundärseite des Transformators an die Last übertragen. NS₁, D₃ und Lo.

Wenn beide Schalter S₁ und S₂ sind AUS, Die Gleichrichterdiode des Schalters stellt den Pfad für die in der Transformator-Primärseite gespeicherte Streuenergie bereit. Die Ausgangsgleichrichterdiode D₃ wird in Durchlassrichtung vorgespannt und führt die Hälfte des Induktionsstroms durch die Sekundärseite des Transformators NS₁, und die Hälfte des Induktionsstroms wird von der Diode übertragen D₄ durch die Sekundärseite des Transformators NS₂. Dies führt zu gleichen und entgegengesetzten Spannungen an den Sekundärleitungen des Transformators (beide NS₁ und NS₂ haben die gleiche Anzahl von Windungen), so dass die Nettospannung, die während der T_aus Zeitraum ist Null.

V_aus/V_in Beziehung

V_in > V_aus

Bereich der Einschaltdauer < 1

Vorteile

• Leistungsbereich bis zu mehreren KW realisierbar
• Um Schalter im Gegentakt zu betreiben, ist keine isolierte Stromversorgung erforderlich
• Einfache Schaltung
• Hoher Wirkungsgrad
• Kleine Ausgangsinduktivität erforderlich
• Mehrere Ausgänge möglich

Benachteiligungen

• Jeder Schalter muss aufgrund des Verdopplungseffekts der in der Mitte angezapften Primärseite die doppelte Eingangsspannung sperren, obwohl zwei Schalter verwendet werden.
• Die Anordnung mit Mittelanzapfung bedeutet auch, dass zusätzliches Kupfer für die Primärseite benötigt wird und eine sehr gute Kopplung zwischen den beiden Hälften erforderlich ist, um mögliche Leckagespitzen zu minimieren. Eine Primärwicklung mit Mittelanzapfung wäre normalerweise bifilar gewickelt, was jedoch zu einer hohen Wechselspannung zwischen den benachbarten Windungen führt.
• Die Hochspannung (2 - V_in) Belastung des Schalters und 50% Nutzung der Transformator-Primärseite macht die Verwendung der Push-Pull-Topologie unerwünscht, wenn die Eingangsspannung europäisch, asiatisch oder im universellen Bereich (90 VAC-230 VAC) ist oder wenn PFC verwendet wird. Aus diesem Grund ist die Push-Pull-Topologie am besten für Niederspannungsanwendungen geeignet, z. B. für direkte Offline-SMPS mit US-Regulierung und 110-VAC-Eingang. Sie wird auch häufig in Wandlern verwendet, die in batteriebetriebenen 12-V- und 24-V-Systemen eingesetzt werden.
• Ein weiteres Problem, das bei einem Push-Pull-Wandler auftreten kann, ist die magnetische Flussverschiebung (Flux Walking). Wenn die Flussverschiebung in jedem Halbzyklus nicht genau symmetrisch ist, gleicht sich das Volt-Sekunden-Verhältnis nicht aus, was zu einer Sättigung des Transformators führt, insbesondere bei hohen Eingangsspannungen. Dieses magnetische Ungleichgewicht kann durch eine ungleiche T_auf Periode für beide Schalter, eine ungleiche Anzahl von Windungen der Primärseite NP₁ und NP₂ und die sekundäre NS₁ und NS₂, und ein ungleicher Durchlassspannungsabfall der Ausgangsdioden D₃ und D₄. Dieses Ungleichgewicht kann durch eine sorgfältige Auswahl der Gate-Impuls-Treiberschaltung, die Verwendung eines Schaltgeräts und das Hinzufügen eines Luftspalts zum Transformatorkern verringert werden.
• Höhere Anzahl von Bauteilen, insbesondere bei mehreren geregelten Ausgängen.

Anwendungen

• RF-Verstärker (CAR Audio)
• AC-Motor-Treiber
• DC-Motor-Treiber
• Wechselrichter

Halbbrückenwandler

Der Halbbrückenwandler ist für Anwendungen mit höherer Leistung (bis zu 500 W) am beliebtesten. Er ist eine Ableitung des Abwärtswandler die einen Transformator zur galvanischen Trennung der Last und zur Spannungsumwandlung (AC-DC und DC-DC) verwendet.

Diese Topologie verwendet ebenfalls zwei magnetische Hauptkomponenten, einen Transformator und eine Ausgangsinduktivität, aber in diesem Fall wird der Transformatorkern besser ausgenutzt als bei einem Durchflusswandler. Die Schaltelemente arbeiten unabhängig voneinander, mit einer Totzeit dazwischen, und schalten die Primärseite des Transformators sowohl positiv als auch negativ in Bezug auf den Mittelpunkt.

Tote Zeiten t_d zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schaltströmen sind unbedingt erforderlich, um einen Brückenbeinkurzschluss zu vermeiden.

Wenn der Schalter S₁ ist ON und Schalter S₂ ist AUS, wird die Energie über die Sekundärseite des Transformators an die Last übertragen. NS₂, D₂ und Lo.

Wenn der Schalter S₂ ist ON und Schalter S₁ ist AUS, wird die Energie über die Sekundärseite des Transformators an die Last übertragen. NS₁, D₁ und Lo.

V_aus/V_in Beziehung

V_in > V_aus

Bereich der Einschaltdauer < 1

Vorteile

• Die Spannungsbelastung des Schalters beträgt V_in und eignet sich daher viel besser für 250 VAC- und PFC-Anwendungen.
• Da die Primärwicklung nur aus einer einzigen Wicklung besteht, entfällt das Problem der Flusswanderung. Ein kleiner Gleichstromsperrkondensator ist in Reihe mit der Primärwicklung des Transformators geschaltet, um den Gleichstromfluss im Transformatorkern zu blockieren.
• Der hohe Wirkungsgrad, die hohe Leistungsdichte und die vereinfachte Transformatorenkonstruktion machen ihn ideal für Anwendungen mittlerer Leistung.
• Hervorragende Trafonutzung, sehr geringe Ausgangswelligkeit und kleine Ausgangsinduktivität erforderlich.

Benachteiligungen

• Hoher Ripplestrom in C₁ und C₂, die sorgfältig ausgewählt werden müssen, damit sie nicht überhitzen.
• Für den oberen Schalter ist ein isolierter Treiber erforderlich, der die Kosten für die Komponenten erhöht.
• Funktioniert mit der Hälfte der Eingangsspannung (V_in), so dass der Kollektorstrom im Vergleich zum Push-Pull-Schema doppelt so hoch ist.
• Nicht geeignet für Stromregelung.

Anwendungen

• Gut geeignet für Anwendungen mit hoher Eingangsspannung bis zu 440 V Netzspannung.
• Großes Computerzubehör.
• Zubehör für Laborgeräte.

Vollbrücken-Konverter

Der Vollbrückenwandler ist eine leistungsstärkere Version des Halbbrückenwandlers und bietet die höchste Ausgangsleistung (bis zu 1000 W) aller oben genannten Wandler.

Vollbrückenwandler verwenden einen Transformator zur Herabsetzung der pulsierenden Primärspannung sowie zur Isolierung zwischen der Eingangsspannungsquelle und der Ausgangsspannung V_aus.

Der Vollbrückenwandler verwendet vier Schalter, die abwechselnd arbeiten. Zwei diagonale Schalter schalten ON und  AUS in einem PWM-Zyklus und dann die beiden anderen diagonalen Schalter im nächsten PWM-Zyklus. Der Fluss wird zurückgesetzt, wenn das andere Schalterpaar gedreht wird ON, so dass Tastverhältnisse von 0 bis 1 möglich sind. Pro Zyklus werden zwei Leistungsimpulse übertragen, was die Verwendung einer kleineren Induktivität und eines kleineren Ausgangskondensators ermöglicht.

Wenn der Schalter S₁, S₄ sind ON und Schalter S₂, S₃ sind AUS, wird die Energie über die Sekundärseite des Transformators an die Last übertragen. NS₂, D₂, und Lo.

Wenn der Schalter S₂, S₃ sind ON und Schalter S₁, S₄ sind AUS, wird die Energie über die Sekundärseite des Transformators an die Last übertragen. NS₁,  D₁, und Lo.

V_aus/V_in Beziehung

V_in > V_aus

Bereich der Einschaltdauer < 1

Ein Flussungleichgewicht kann bei einem Vollbrückenwandler ein Problem darstellen. Ein optionaler Kondensator CB hinzugefügt werden, so dass, wenn ein Schalterpaar mehr Strom als das andere Paar leitet, die Spannung an CB verschiebt sich so nach oben oder unten, dass der Stromfluss durch die Schalter ausgeglichen wird. Die Totempfahl Anordnung der Schalter (bei der einer über dem anderen gestapelt ist) ist anfällig für Strom durchschießend von der V_Bus Versorgungsschiene zum Rücklauf, wenn ein Schalter schaltet AUS während der andere sich dreht ON. Um ein Durchschießen zu verhindern, muss zwischen jedem Schaltübergang eine Totzeit eingefügt werden.

Vorteile

• Durch den Einsatz eines Netzglättungskondensators im Vergleich zu zwei Kondensatoren bei der Halbbrücke wird Platz gespart.
• Verarbeitet einen breiten Bereich von Eingangs- und Ausgangsspannungen
• Hohe Leistungsdichte
• Die Spannungsbelastung des Schalters beträgt V_in
• Eine hohe Kernauslastung (voller Flusswechsel in den Quadranten 1 und 3) erlaubt die Verwendung eines kleineren Kerns.

Benachteiligungen

• Schaltgeräte können teuer sein, daher ist es sinnvoll, geeignete Steuerschaltungen einzubauen, die einen guten Geräteschutz, Soft-Start-Fähigkeit und schnelle Hochstrom-Treiberschaltungen bieten.
• Die Timing-Schaltung ist komplexer und es werden zwei High-Side-Treiber benötigt.
• Höhere Anzahl von Bauteilen, insbesondere bei mehreren geregelten Ausgängen.
• Teuer im Vergleich zu anderen Konvertern, da er mehr Komponenten verwendet.

Anwendungen

• Computer-Großrechnerzubehör.
• Großgeräte für das Labor.
• Telekommunikationssysteme.
• DC-Servomotorantriebe.
• Erzeugung von Wechselspannung für AC-Motorantriebe.
• RF-Heizung.
• Batterieladegeräte.

Der nächste Artikel in unserer SMPS-Serie wird sich mit folgenden Themen befassen Resonanzwandler und ihre wichtigsten Anwendungen.