Vergleichende Untersuchungen dreistufiger Schaltnetzteiltopologien im Ausgangsleistungsbereich bis 3 kW

Schwalbe, Ulf Mario GND

Basierend auf dem Stand der Technik konzentriert sich diese Arbeit auf die Analyse von zweistufigen und dreistufigen Schaltnetzteiltopologien für die Erzeugung niedriger Ausgangs-spannungen und hoher Ausgangsströme. Dabei sollten Möglichkeiten zur Verbesserung ihrer technischen und sonstigen Parameter erschlossen werden. Die gewonnenen Aussagen beziehen sich auf Systeme mit einer Eingangsleistung von maximal 3680 W, da diese Leistung von einem einphasigen Hausanschluss, der mit 16 A abgesichert ist, bei 230 V bereitgestellt werden kann. Die Anwendungen, die hinter diesen Schalt-netzteilen stehen, sind sowohl Stromversorgungen für Server als auch für Telekommunikati-onsanlagen. Die Untersuchungen im Rahmen dieser Arbeit sind weitgehend experimenteller Natur, da im Hinblick auf die hohe Komplexität eines Schaltnetzteils eine theoretische Beschreibung und Berechnung nur unter erheblichen Vernachlässigungen und damit Abweichungen von der Realität möglich wäre.Simulationen und Berechnung wurden als unterstützendes Hilfsmittel während der praktischen Umsetzung verwendet. Die sechs verschiedenen dreistufigen Schaltnetzteile, die im Rahmen dieser Dissertation ent-standen, wurden nach einer einheitlichen Designphilosophie entwickelt. Alle Systeme wurden für die Erzeugung von 12 V DC-Ausgangsspannung bei einer Ausgangsleistung von 800 W dimensioniert. Als Vergleichsobjekt wurde ein zweistufiger Demonstrator der Firma Infineon gewählt, der ebenfalls 12 V DC-Ausgangsspannung liefert. Der bei zweistufigen Topologien gegenwärtig erforderliche Kompromiss zwischen Bauvolumen für den Zwischenkreis und Eingangsspannungsbereich des Hauptwandlers kann mit drei-stufigen Lösungen nachweislich überwunden werden. Bei diesen Konzepten wird ein zusätzlicher Wandler in den Leistungspfad eingebunden, der die Leistungsstellung übernimmt. Der Hauptwandler arbeitet nun als ungesteuertes Übertragungsglied in Form eines "DC-Transformators". Das bedeutet er kann mit Vollaussteuerung, d.h. 100 % Konvertertastver-hältnis operieren und auf ZVS-Betrieb bzw. für resonantes Schalten ausgelegt werden. Als Glied für die Leistungsstellung bietet sich ein Tiefsetzsteller an, da er einen einfachen Aufbau besitzt, sehr gut in einem weiten Eingangsspannungsbereich arbeiten kann und einfach zu steuern ist. Der Tiefsetzsteller kann auf der Primärseite des Transformators angeordnet wer-den, wo er die Hauptstufe mit einer konstanten Spannung versorgt (Pre-Regulated Konzept). Die andere Variante ist die Anordnung auf der Sekundärseite des galvanisch isolierenden Wandlers (Post-Regulated Konzept). Bei dieser Lösung überträgt der "DC-Transformator" die Zwischenkreisspannung in einem festen Verhältnis, mit all ihren Schwankungen. Der nach-folgende Tiefsetzsteller muss die Schwankungen ausgleichen und die DC-Ausgangsspannung an der Last konstant regeln. Der zweistufige Demonstrator ist eine spannungsgespeiste, partiell hart schaltende Halbbrücke mit PFC-Stufe.Die untersuchten dreistufigen, primärseitig geregelten Schaltnetzteile (Pre-Regulated) waren: ein Current Fed Push Pull-Konverter; ein Current Fed Full Bridge-Konverter und ein Parallelresonanzkonverter, jeweils mit primärseitigem Tiefsetzsteller.Die betrachteten Netzteile mit sekundärseitiger Regelung (Post-Regulated) waren: eine par-tiell hart schaltende Halbbrücke, ein Serienresonanzkonverter und ein LLC-Konverter, immer mit sekundärseitigem Tiefsetzsteller. Alle dreistufigen Netzteile verfügen ebenfalls über eine PFC-Stufe. Die nachstehenden Teile dieses Kapitels rekapitulieren die wichtigsten Ergebnisse dieser Dis-sertation.Folgende charakteristische Aussagen lassen sich zu den Pre-Regulated SMPS treffen:Die primärseitigen Hauptstufen-MOSFETs des Current Fed Push Pull-Konverters und des Current Fed Full Bridge-Konverters sind einer sehr starken Spannungsbelastung ausgesetzt. Die sekundärseitigen Gleichrichter-MOSFETs werden in den primärseitig stromeingeprägten Systemen hingegen nur mit geringen Überspannungen belastet.Der Parallelresonanzkonverter ist eine Abwandlung des Current Fed Full Bridge-Konverters, um bewusst resonantes Schalten zu erreichen und Schaltverluste zu reduzieren. Die Belastung der Schaltelemente liegt in der Größenordnung des Vollbrückenwandlers. Nachteilig an diesem Konzept ist die Lastabhängigkeit der Resonanz aufgrund der seriellen Lastauskopplung im Schwingkreis.Die Realisierung eines sekundärseitigen Synchrongleichrichters lässt sich in allen stromgespeisten Topologien nur mit erhöhtem Aufwand umsetzen.Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein stromgespeister Wandler nicht für die Erzeugung hoher Ströme in Kombination mit niedrigen Ausgangsspannungen geeignet ist. Der Hauptgrund dafür ist die negative Wirkung der Streuinduktivität auf die aktiven Bauelemente. Die Post-Regulated Stromversorgungen sind durch nachfolgende Aussagen gekennzeichnet:Die Untersuchungen der partiell hart schaltenden Halbbrücke, bei einer hohen Schaltfrequenz von 500 kHz, haben gezeigt, dass dieser Wandler in keinem Betriebszustand als "DC-Transformator" geeignet ist, da sein Verhalten sehr lastabhängig ist. Eine Drossel zur Begren-zung der Stromsteilheiten sowie Clampingdioden sind nötig, um ein arbeitspunktabhängiges Nullspannungsschalten und gleichzeitig zulässige Spannungsbelastungen der sekundärseitigen Gleichrichter zu erreichen.Die Begrenzungsdrossel limitiert aufgrund ihres Spannungsabfalls aber auch die Ausgangs-leistung des Wandlers.Der Serienresonanzkonverter ist sehr gut als "DC-Transformator" geeignet, solange genügend Strom (Laststrom) abgeschaltet werden kann, der die Ausgangskapazitäten der MOSFETs umlädt, um ZVS-Betrieb zu erreichen. Im Teillastbetrieb kommt es in Abhängigkeit von Schaltfrequenz, Zweigverriegelungszeit und Steuerwinkel (Grad der Überresonanz) zum Verlust der ZVS-Bedingung. Ab diesem Zeitpunkt schalten die primärseitigen Halbbrücken-MOSFETs hart auf die Zwischenkreisspannung ein und verursachen große Schaltverluste.Als Problemlösung kann eine Abwandlung des Serienresonanzwandlers betrachtet werden, der LLC-Konverter. Dieser Konverter besitzt eine definiert reduzierte Hauptinduktivität im Transformator, so dass lastunabhängig immer ein ausreichender Magnetisierungsstrom fließt, um die Ausgangskapazitäten der MOSFETs umzuladen. Die Untersuchungen des LLC-Konverters haben gezeigt, dass mit diesem Wandler über den gesamten Lastbereich ein Nullspannungsschalten möglich ist. Der LLC-Konverter ist daher sehr gut als lastunabhängiger "DC-Transformator" geeignet. Das ist eine wichtige Erkenntnis der vorliegenden Arbeit. Der wesentliche Vorteil der dreistufigen Lösungen gegenüber den zweistufigen Konzepten ist die Einsparung von Zwischenkreiskapazität und der Ausgleich von Spannungsschwankungen (z.B. brown-out) am Zwischenkreis über das Regelspiel des Tiefsetzstellers. Die reduzierte Zwischenkreiskapazität wirkt sich positiv auf die Systemkosten und die Leistungsdichte aus. Jede einzelne Stufe des SMPS kann separat arbeiten. Die damit verbundene Erhöhung der Freiheitsgrade dient zur Beeinflussung von Schaltungsparametern und bewirkt eine bessere Anpassung der dreistufigen Topologien an die jeweilige Anwendung.Bei Bedarf kann auch eine Synchronisation zwischen den Stufen erfolgen. Im höheren Leistungsbereich ist eine Synchronisation zwischen PFC-Stufe und der folgenden Stufe sinnvoll, um den Zwischenkreiskondensator zu entlasten. Die Auslegung der einzelnen Stufen eines dreistufigen Schaltnetzteils lässt sich in der Regel recht einfach realisieren, da die Aufgaben Leistungsstellung und galvanische Trennung durch zwei unterschiedliche Wandler vollzogen werden. Diese klare Trennung kann in einem drei-stufigen Konzept mit LLC-Konverter zu einer Verbesserung des Systemwirkungsgrades gegenüber der zweistufigen Lösung genutzt werden.Die getrennte Optimierbarkeit der einzelnen Stufen eines Schaltnetzteils führt zu einem optimalen Gesamtsystem. Nachteilig bei einer dreistufigen Lösung ist die höhere Bauelementeanzahl gegenüber dem zweistufigen Ansatz. Die höhere Bauelementeanzahl muss sich nicht direkt in den Systemkosten widerspiegeln. Der Vergleich der experimentell untersuchten Netzteile, hat bei ausschließlicher Betrachtung der Bauelementekosten, ein ähnliches Kostenniveau für die zwei- und drei-stufigen Lösungen gezeigt. Das Ziel dieser Arbeit, mit einer dreistufigen Topologie einen höheren Wirkungsgrad zu er-reichen, als mit einem zweistufigen Ansatz, wurde nur bedingt erfüllt. Als Grund für dieses Ergebnis lassen sich die hohen Schaltfrequenzen in den einzelnen Stufen benennen. Die hohen Schaltfrequenzen führen zur Entstehung beachtlicher Schaltverluste. Im Volllastbetrieb wird mit dem dreistufigen LLC-Konverter eine geringere Effizienz als mit der zweistufigen Topologie erreicht. Im Teillastbetrieb hingegen war der LLC-Konverter dem zweistufigen System überlegen.Die Steigerung der Leistungsdichte gegenüber der zweistufigen Lösung wurde mit den dreistufigen Lösungen erreicht, da das Bauvolumen für den Zwischenkreis signifikant verkleinert werden konnte. Die Arbeit stellt die qualitativen Eigenschaften der einzelnen Topologien dar. Die getroffenen quantitativen Aussagen basieren auf dem derzeitigen Stand der Technik bei Halbleitern und passiven Bauelementen. Aufgrund der ständigen Weiterentwicklung auf den Sektoren Halbleiter und passive Bauelemente haben die vorgelegten Untersuchungsergebnisse nur einen, aber dennoch sehr nützlichen, Orientierungscharakter. Diese Arbeit wurde auch zur Auslotung von aktuell relevanten Schaltfrequenzen genutzt, so dass die vorgestellten Wirkungsgrade nicht die maximal möglichen Werte darstellen. Die Benutzung hoher Schaltfrequenzen wirkt sich negativ auf den Wirkungsgrad aus. Die Erhöhung des Wirkungsgrades gegenüber den gemessenen Werten, lässt sich durch eine Absenkung der Schaltfrequenzen erreichen. Aus dem heutigen Stand der Technik bei Halbleitern und Magnetmaterialien lässt sich schließen, dass dreistufige Topologien mit Schaltfrequenzen im Be-reich von 70 kHz bis 130 kHz optimal für die Erzielung eines hohen Systemwirkungsgrades geeignet sind. Für hohe Ausgangsleistung ist die Verwendung von kaskadierten (Interleaved) Konzepten, in Kombination mit niedrigen Schaltfrequenzen (70 kHz bis 130 kHz) sinnvoll. Dabei können Auslöschungseffekte aufgrund versetzter Pulsung ausgenutzt werden, um passive Bauelemen-te zu entlasten. Die Leistungsgrenzen für den Einsatz von kaskadierten Konzepten sind nicht klar abgesteckt und von der jeweiligen Anwendung abhängig. Der LLC-Konverter mit sekundärseitigem Tiefsetzsteller hat sich als beste dreistufige Topo-logie herauskristallisiert. Aufgrund der sehr guten Eigenschaften des LLC-Konverters in einer dreistufigen Topologie ist es sinnvoll, in einer weiterführenden Arbeit den LLC-Wandler mit einem primärseitig angeordneten Tiefsetzsteller zu paaren. Diese Konfiguration würde weitere Vorteile bezüglich der Auslegung des Tiefsetzstellers bringen. Eine Wirkungsgrad-Abschätzung wurde im Rahmen dieser Arbeit bereits durchgeführt. Es wird empfohlen, die dreistufigen Schaltnetzteile in einer weiterführenden Arbeit konstruktiv zu optimieren. Dabei sollte die bestmögliche Aufbau- und Verbindungstechnik zum Einsatz kommen. Ein virtuelles 3D-Prototyping des Netzteiles mit Gehäuse, unter Einbeziehung aller elektrischen und thermischen Aspekte, kann zu einer weiteren Erhöhung der Leistungsdichte von dreistufigen Topologien führen.

Im Buchhandel erhältlich : Vergleichende Untersuchungen dreistufiger Schaltnetzteiltopologien im Ausgansleistungsbereich bis 3 kW / von Ulf Schwalbe Ilmenau : ISLE, 2009. - 234 S. ISBN 978-3-938843-49-9

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Schwalbe, Ulf Mario: Vergleichende Untersuchungen dreistufiger Schaltnetzteiltopologien im Ausgangsleistungsbereich bis 3 kW. 2009.

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