PDF-Ausgabe herunterladen (34.2 MB) - elektronik industrie

Leistungselektronik + AktorenBild 2: Typische CAP Zero-Anwendung.Bild 3: SEN Zero-Anwendung SEN013.Bild 4: Leerlaufverlustleistung beim DER-243mit und ohne CAP Zero.de R 3und R 4zur Erfassung der Netzspannung und Nullpunkterkennungwird U 1sowohl mit dem Leitungszustand versorgt alsauch der erforderliche Mindestvorspannungsstrom von 25 µA bereitgestellt.Der Standardwert für diese Widerstände beträgt 4 MΩ.Bei einer Eingangswechselspannung von 230 V würde dies an denWiderständen allerdings zu einem Leistungsverlust von 30 mWführen. Beim DER-243 wurde der Widerstandswert von R 3und R 4von 4 MΩ auf 10,2 MΩ vergrößert, um den Leistungsverlust imLeerlaufbetrieb um ca. 16 mW zu reduzieren. Dazu musste R 20hinzugefügtwerden, um für zusätzlichen Vorspannungsstrom zu sorgenund dieselben Grenzwerte für den Unterspannungsschutz einhaltenzu können.Die Widerstände R 7, R 8und R 9senken mit steigender Netzspannungden Außenstromgrenzwert von U 1. So kann das Netzteil dieAusgangsleistung bei 230 V Netzspannung auf unter 100 VA begrenzenund bei 115 V immer noch die Nennausgangsleistung erbringen.Darüber hinaus sorgt es auch bei wechselnden Netzspannungenfür einen fast konstanten Überlastgrenzwert am Ausgang.Die Klemmschaltung (V R2, C 4, R 5, R 6, R 11, R 28, R 29und D 2) begrenztdie durch Streuinduktivität verursachte Drain-Spannungsspitzeauf einen Wert unterhalb der Drain-Source-DurchbruchspannungU BR(BV DSS) des internen TOP Switch-JX-MOSFET. UnterKleinlast- oder Leerlaufbedingungen sind Streuinduktivitätund Schaltfrequenz geringer. Bei einer normalen RCD-Klemmschaltungwürde der Kondensator C 4bei jedem Zyklus entladenund wieder aufgeladen werden, was eine beträchtliche Energieverschwendungdarstellen würde. Die RZCD-Anordnung löst diesesProblem dadurch, dass die Spannung am Kondensator nicht untereinen definierten Mindestwert (Nennspannung V R2) sinken kannund so der Verlust in der Begrenzungsschaltung im Kleinlast- oderLeerlaufzustand auf ein Minimum begrenzt wird.Als ausgangsseitige Gleichrichter wurden Schottky-Gleichrichterdiodenmit hoher Nennstromstärke und niedriger VorwärtsspannungV Feingesetzt, um Diodenverluste und Wirkungsgrad zuoptimieren. Das RC-Löschglied aus C 12und R 15dämpft Überschwingungenan den Dioden und reduziert hochfrequente leitungsgebundeneoder eingestrahlte Störungen.Um den Energieverlust der sekundärseitigen Rückkopplungsschaltungzu minimieren, wurde ein hochverstärkender Optokopplereingesetzt und Q2 hinzugefügt, um eine Darlingtonschaltungmit U3B zu bilden. Dadurch konnte der Feedback-Strom aufder Sekundärseite auf ungefähr 1 mA abgesenkt werden.Keine Leistungsverluste in der EMV-EingangsstufeAm Wechselstromeingang wird die Filterfunktion durch die GleichtaktdrosselnL 3und L 4wahrgenommen. Der X-Kondensator C 1sorgtfür die Filterung der symmetrischen Störanteile und über die WiderständeR 1und R 2kann sich C 1entladen. Diese Sicherheitsanforderungverhindert mögliche Stromstöße. Sicherheitsnormen (UL1950und EN60950-1) verlangen, dass die Spannung sich bei Kapazitätenüber 100 nF mit einer Zeitkonstante von unter 1 s entlädt.Die Widerstände sind vom leistungstechnischen Standpunkt ausgesehen eher unerwünscht, weil an ihnen bei 230-V-Wechselstromeine permanente Verlustleistung von 12 mW entsteht. Dem Designdes DER-243 folgend, stellte PI den IC CAP Zero vor, der die Ursachefür diesen Leistungsverlust eliminiert. Eine typische Anwendungdes CAP Zero wird in Bild 2 dargestellt.Jedes CAP Zero-Bauteil verfügt über einen integrierten Wechselstromdetektorund Antiparallel-MOSFETs in einem SO-8-Gehäuse.Bei anliegender Netzspannung bleibt CAP Zero im Aus-Zustand und trennt den Entladestrompfad, wodurch keine Leistungverloren gehen kann. Wenn keine Netzspannung mehr anliegt,schaltet sich CAP Zero ein und schleift die Widerstände ein,über die sich der Eingangsfilterkondensator dann entladen kann.Die CAP Zero-ICs sind über die AC-Versorgung eigengespeistund nehmen weniger als 21 µA Strom auf.Bild 4 zeigt, wie viel Leistung durch einen mit R 1und R 2in Reihegeschalteten CAP Zero im Notebook-Referenzdesign (DER-243)gespart werden kann.Die Testergebnisse bestätigen, dass durch CAP Zero sämtlicheVerluste an den Entladewiderständen des X-Kondensators vermiedenwerden können. Dadurch, dass die Verluste an den Widerständenjetzt keine Rolle mehr spielen, ist die davon abhängige Größenbeschränkungdes X-Kondensators auch hinfällig. Der Eingangsfilterkann jetzt durch den Einsatz größerer Kondensatorenund kleinerer Drosseln noch weiter optimiert werden, was wiederumerhebliche Einsparungen bei Größe und Kosten ermöglicht.Erfassung der NetzspannungIn unserem Beispieldesign wurden die Widerstände zur Netzspannungserfassung(R 3, R 4, R 7, R 8, R 9) möglichst groß gewählt, um dieVerlustleistung so gering wie möglich zu halten. Die Widerständeziehen allerdings immer noch viel Energie aus dem Netz, ganzgleich, ob der Schaltregler U 1sich im Betrieb befindet oder nicht.In Hochleistungsanwendungen können sich mehrere Pfade zwischenden Hochspannungsbahnen befinden. Das können zum BeispielFeedforward- oder Feedback-Signalpfade bei Boost-Controllernzur Blindleistungskompensation oder Feedforward-Signalwegebei 2-Schalter-Durchflusswandlern, LLC-Resonanzwandlernsowie Halb- und Vollbrückenwandlern sein. Die Leistungsverlustein diesen Pfaden können durch das Bauteil SEN Zero vermiedenwerden (Bild 3). SEN Zero enthält wahlweise zwei oder drei 650-V-44 elektronik industrie 04/2012www.elektronik-industrie.de