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.