Topologien - Armspower.com

Grundlagen Technische Informationen Topologien
Topologien
Spannungsregelung
Ferroresonante Regelung
In der Ferroresonanztechnik erfolgt die Leitungsregelung
mit einer resonanten Ladungspumpe, die zugleich für die
galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgang verantwortlich
ist.
Eine solche Schaltung erzeugt mit Hilfe eines speziell ausgelegten
Transformators eine stets konstante Spannung.
Die halbrechteckförmige Ausgangsspannung kann auf einfache
Weise gleichgerichtet und gefiltert werden.
Die Strombegrenzung ergibt sich aus der Sättigung des
Transformators bei zunehmendem Ausgangsstrom.
1020
Ungesättigte
Primärwicklung
AC Eingang
C L
Geregelte DC-
Ausgangsspannung
Fig.1
Ferroresonanter Spannungsregler mit galvanischer
Trennung
Laststrom
Ausgangsspannung
13083
U i
I i
Vi+
T1
Regler
13084
Vo+
I o
U o
Gi–
Go–
Fig. 3
Linearer Spannungsregler ohne galvanische Trennung
Getaktete Spannungsregelung (Schaltregler)
Die Spannungsregelung entsteht durch die Verwendung
des Längstransistors als Schalter, der pulsweise mit hoher
Frequenz ein- und ausgeschaltet wird. Vorteile sind ein hoher
Wirkungsgrad mit verbesserter Zuverlässigkeit und
eine geringere Verlustleistung.
Diese Technologie ist bekannt als Pulsbreitenmodulation
(PWM = Puls Width Modulation) und wird normalerweise
mit Arbeitsfrequenzen weit über 20 kHz betrieben.
Schmale Spannungspulse entstehen bei hoher Eingangsspannung,
breite Spannungspulse bei tiefer Eingangsspannung,
wobei die Schaltfrequenz oft konstant bleibt.
Schaltregler bieten ebenfalls keine galvanische Trennung
zwischen Ein- und Ausgang.
Vi+
T1
13085
Vo+
I i I o
C
U e i U
D1
Regler
o
0%
100% 120% 140%
Resonanzkreis
Gesättigte
Sekundärwicklung
Fig. 2
Strombegrenzung eines ferroresonanten Spannungsreglers
Lineare Regelung
Die lineare Spannungsregelung wird durch die Regelung
des Spannungsabfalls über einem variablen Widerstand in
Form eines Längstransistors erreicht. Der Spannungsabfall
über diesen Transistor ist gleich der Differenz zwischen
Eingangs- zu Ausgangsspannung. Die dabei entstehende
Verlustleistung ergibt sich aus dem Produkt von Kollektor-
Emitter-Spannung und Eingangsstrom. Eingangs- und
Ausgangsstrom sind ungefähr gleich gross.
Ein Linearregler erzeugt keine galvanische Trennung
zwischen Ein- und Ausgang.
Gi–
Go–
Fig. 4
Schaltregler ohne galvanische Trennung
Wirkungsgrad
(Berechnet für Spannungsregler ohne galvanische Trennung)
a) Lineare Spannungsregelung
P o U o • I o
h = ––– = –––––––
P i U i • I i
b) Schaltregler
(Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung = 1 V,
Schaltverluste werden vernachlässigt)
P loss ≈ I o • 1V
P o
U o
h = ––– ≈ –––––––
P i (U o + 1)
100
h [%]
80
60
40
linear
Schaltregler
13086
20
Fig. 5 1 1.4 2
U
2.6 3 i /U o
Wirkungsgrad in Funktion der Eingangsspannung
Ausgabe 5/6.2000 1/5

Grundlagen Technische Informationen Topologien
Grundschaltungen von getakteten Stromversorgungen
Flusswandler ("Buck" Converter)
Vorteile:
FET Drain-Source-Spannung U DS ≈ U i , einfache Drossel.
Keine Probleme mit magnetischer Kopplung. Geringe Belastung
des Ausgangskondensators. Das Taktverhältnis
T ON /T = 1 ist möglich.
Lr
U i Ci D1 C U o o ≤ U i
Fig. 6
Flusswandler
T1
13025
Nachteile:
Keine Trennung zwischen Ein- und Ausgang. Der Schalttransistor
muss potentialfrei angesteuert werden.
a) T c)
13026
ON
––––– = 0.5
T
U i
0
0
t
t
T
T
b)
d)
I o 0
0
T
a) Spannungsverlauf am Transistor T1
b) Strom in der Drossel Lr
c) Stromverlauf im Eingangskondensator C i
d) Stromverlauf im Ausgangskondensator C o
t
T
t
Spannungshochsetzer ("Boost" Converter)
Vorteile:
Einfache Drossel. Keine Probleme mit magnetischer Kopplung.
Das Taktverhältnis T ON /T = 0 ist möglich.
Lr
U i Ci T1 C U o o ≤ U i
Fig. 7
Spannungshochsetzer
Invertierender Sperrwandler ("Buck-Boost" Converter)
Vorteile:
Einfache Drossel. Keine Probleme mit magnetischer Kopplung.
T1
Fig. 8
Invertierender Sperrwandler (ohne Potentialtrennung)
D1
D1
13027
13029
U i Ci Lr C U o o
Nachteile:
Keine galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgang.
Mittlere Belastung des Ausgangskondensators. Hoher Anlaufstrom
am Eingang.
T
––––– ON
= 0.5
a)
T
c)
13028
U i
0
0
t
t
T
T
b)
d)
I o
0
0
t
T
a) Spannungsverlauf am Transistor T1
b) Strom in der Drossel Lr
c) Stromverlauf im Eingangskondensator C i
d) Stromverlauf im Ausgangskondensator C o
Nachteile:
Drain-Source-Spannung am Schalttransistor erreicht Werte
von U DS ≈ U i + U o . Keine galvanische Trennung. Starke
Belastung des Ausgangskondensators. Der Schalttransistor
muss potentialfrei angesteuert werden. Die Polarität der
Ausgangsspannung ist invers zur Eingangsspannung.
T
13030
ON
––––– = 0.7
a)
T
c)
U i
0
0
t
t
T
T
b)
d)
I
0
o
0
t
t
T
T
a) Spannungsverlauf am Transistor T1
b) Strom in der Drossel Lr
c) Stromverlauf im Eingangskondensator C i
d) Stromverlauf im Ausgangskondensator C o
T
t
Ausgabe 5/6.2000 2/5

Grundlagen Technische Informationen Topologien
Sperrwandler in nicht lückendem Betrieb ("Flyback" Converter)
Vorteile:
Galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgang. Mehrere
Ausgangsspannungen können gemeinsam geregelt
werden (konstante Wicklungsverhältnisse im Transformator).
Breiter Regelbereich in einem weiten Spannungsbereich.
Fig. 9
Sperrwandler in nicht lückendem Betrieb
Vorteile:
Galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgang. Gute
Stabilität und Regelzeiten. Mehrere Ausgangsspannungen
können gemeinsam geregelt werden.
T1
Fig. 10
Sperrwandler in lückendem Betrieb
n
D1
U i Ci
C o
U o
D2
n
T1
D1
13031
Sperrwandler in lückendem Betrieb ("Flyback" Converter)
U i Ci
C o
U o
D2
13031
Eintakt Flusswandler (Single Transistor "Forward" Converter)
Nachteile:
Drain-Source-Spannung am Schalttransistor U DS > U i +n• U o .
Starke Belastung des Ausgangskondensators und der Diode.
Sehr gute magnetische Kopplung erforderlich.
Grosser Querschnitt des Transformatorkerns mit Luftspalt.
Probleme mit der Stabilität und hohen Rippelströmen.
T
13087
––––– ON
= 0.5
T
a)
c)
U i
b)
0
T
a) Spannungsverlauf am Transistor T1
b) Strom in der Diode D1
c) Stromverlauf im Eingangskondensator C i
d) Stromverlauf im Ausgangskondensator C o
Nachteile:
Drain-Source-Spannung am Schalttransistor U DS > U i +n• U o .
Starke Belastung des Ausgangskondensators und der Diode.
Sehr gute magnetische Kopplung erforderlich. Grosser
Querschnitt des Transformatorkerns mit Luftspalt. Probleme
mit hohen Rippelströmen.
13088
T ON
––––– = 0.5
a)
T
c)
a) Spannungsverlauf am Transistor T1
b) Strom in der Diode D1
c) Stromverlauf im Eingangskondensator C i
d) Stromverlauf im Ausgangskondensator C o
t
0
t
t
T
T
(Trapezförmiger Stromverlauf im Transistor resp. Primärwicklung)
U i
b)
0
T
t
0
t
t
T
T
(Sägezahn-Stromverlauf im Transistor resp. der Primärwindung)
d)
0
0
d)
0
0
T
T
t
t
Vorteile:
Keine Probleme mit der Kernentmagnetisierung. Einfache
Auslegung. Tiefer Ausgangsrippel.
D2
U
C o
o
D3
U i C i
T1
D1
Lr
13035
Nachteile:
Drain-Source-Spannung des Schalttransistors U DS > 2 • U i .
Transformator muss mit einer Entmagnetisierungswicklung
ausgestattet sein. Gute magnetische Kopplung zwischen
Primär- und Entmagnetisierungswicklung notwendig.
T 13036
––––– ON
= 0.5
a) T
c)
U i
0
T
b) d)
t
0
T
t
Fig. 11
Eintakt Flusswandler (1 Transistor)
I o
0
t
T
a) Spannungsverlauf am Transistor T1
b) Strom in der Drossel Lr
c) Stromverlauf im Eingangskondensator C i
d) Stromverlauf im Ausgangskondensator C o
0
T
t
Ausgabe 5/6.2000 3/5

Grundlagen Technische Informationen Topologien
Gegentaktwandler in Mittelpunktschaltung ("Push-Pull" Converter)
Vorteile:
Kleiner Transformator. Tiefer Ausgangsrippel.
T1
T2
D1
D2
Fig. 12
Gegentaktwandler in Mittelpunktschaltung
Lr
13037
U i Ci
C o
U o
Nachteile:
Drain-Source-Spannung des Schalttransistors U DS > 2 • U i .
Die Korrektur der Symmetrie kann Probleme verursachen.
Gute Koppelung zwischen den zwei Primärwicklungen notwendig.
Gefahr, dass beide Transistoren beim Umschalten
gleichzeitig leiten.
T
––––– ON
≤ 0.45
a) T
c)
U i
0
T
b) d)
I o
0
t
T
a) Spannungsverlauf am Transistor T1
b) Strom in der Drossel Lr
c) Stromverlauf im Eingangskondensator C i
d) Stromverlauf im Ausgangskondensator C o
t
0
0
T
T
13038
t
t
Gegentaktwandler in Halbbrückenschaltung ("Push-Pull" Converter)
Vorteile:
FET Drain-Source-Spannung U DS ≈ U i . Der Transformator
kann eine hohe Streuinduktiviät haben. Tiefer Ausgangsrippel.
U i
D1 Lr
13039
T1
Co
C i1
D2
C i2 T2
Fig. 13
Halbbrückenschaltung
U o
Nachteile:
Gefahr, dass beide Transistoren beim Umschalten gleichzeitig
leiten. Galvanisch getrennte Ansteuerung des einen
Transistors ist notwendig.
a) T ON
c)
––––– = 0.42 (2×)
T
U i
0
0
T
b) d)
I o
0
t
T
a) Spannungsverlauf am Transistor T1
b) Strom in der Drossel Lr
c) Stromverlauf im Eingangskondensator C i1
d) Stromverlauf im Ausgangskondensator C o
t
0
T
T
13040
t
t
Flusswandler in H-Schaltung (2 Transistor "Forward" Converter)
Vorteile:
FET Drain-Source-Spannung U DS ≈ U i . Kernentmagnetisierung
ist kein Problem. Der Transformator kann eine
hohe Streuinduktivität haben. Hoher Wirkungsgrad. Für
höhere Eingangsspannungen geeignet. Tiefer Ausgangsrippel.
T1
U i C i
D2
U Co o
D4
T2
D3
D1
Lr
13041
Nachteile:
Galvanisch getrennte Ansteuerung des einen Transistors
ist notwendig. Grosser Transformator.
a) T c)
––––– ON
= 0.5
T
U i
0
0
T
b) d)
I o
0
0
t
T
a) Spannungsverlauf am Transistor T1
b) Strom in der Drossel Lr
c) Stromverlauf im Eingangskondensator C i
d) Stromverlauf im Ausgangskondensator C o
t
T
T
13042
t
t
Fig. 14
Flusswandler in H-Schaltung (2 Transistoren)
Ausgabe 5/6.2000 4/5

Grundlagen Technische Informationen Topologien
Gegentaktwandler in Vollbrückenschaltung ("Push-Pull" Converter)
Vorteile:
FET Drain-Source-Spannung U DS ≈ U i . Der Transformator
darf eine hohe Streuinduktivität haben. Für grosse Leistungen
geeignet.
T1
T2
U
C o
o
U i
C i
D1
Lr
13043
Nachteile:
Korrektur der Symmetrie kann zu Problemen führen. Gefahr,
dass ein in Serie geschaltetes Transistorpaar beim
Umschalten gleichzeitig leitet. Zwei galvanisch getrennte
Transistoransteuerungen notwendig.
a) T c)
––––– ON
= 0.42 (2×)
T
U i
0
0
t
T
b) d)
T
13044
t
D2
I o
0
T4
T3
Fig. 15
Gegentaktwandler in Vollbrückenschaltung
0
T
a) Spannungsverlauf am Transistor T1
b) Strom in der Drossel Lr
c) Stromverlauf im Eingangskondensator C i
d) Stromverlauf im Ausgangskondensator C o
t
T
t
Einige neuere Topologien
13045
L1
D1
I o
C 1 D2 C 0 Uo
U i
Fig. 16
Pseudo-resonanter Flusswandler, grosser Bereich der
Schaltfrequenz
C o U o
D3
U i C i
T1
Fig. 17
Spannungshochsetzer (geeignet zur Korrektur des
Leistungsfaktors, PFC)
L
13046
L1
D1
I o
13089
Eingangsspannung
~
Eingangsfilter
U o
T1 C o
t
Eingangsstrom
Fig. 18
Synchroner Gleichrichter (für hohen Wirkungsgrad bei
tiefen Eingangsspannungen)
Ausgabe 5/6.2000 5/5