Vergleichende Untersuchungen dreistufiger Schaltnetzteiltopologien im Ausgangsleistungsbereich bis 3 kW

摘要

Basierend auf dem Stand der Technik konzentriert sich diese Arbeit auf dieAnalyse von zweistufigen und dreistufigen Schaltnetzteiltopologien für dieErzeugung niedriger Ausgangs-spannungen und hoher Ausgangsströme. Dabeisollten Möglichkeiten zur Verbesserung ihrer technischen und sonstigenParameter erschlossen werden.Die gewonnenen Aussagen beziehen sich auf Systeme mit einerEingangsleistung von maximal 3680 W, da diese Leistung von einemeinphasigen Hausanschluss, der mit 16 A abgesichert ist, bei 230 Vbereitgestellt werden kann. Die Anwendungen, die hinter diesenSchalt-netzteilen stehen, sind sowohl Stromversorgungen für Server als auchfür Telekommunikati-onsanlagen.Die Untersuchungen im Rahmen dieser Arbeit sind weitgehend experimentellerNatur, da im Hinblick auf die hohe Komplexität eines Schaltnetzteils einetheoretische Beschreibung und Berechnung nur unter erheblichenVernachlässigungen und damit Abweichungen von der Realität möglichwäre.Simulationen und Berechnung wurden als unterstützendes Hilfsmittelwährend der praktischen Umsetzung verwendet.Die sechs verschiedenen dreistufigen Schaltnetzteile, die im Rahmen dieserDissertation ent-standen, wurden nach einer einheitlichen Designphilosophieentwickelt. Alle Systeme wurden für die Erzeugung von 12 VDC-Ausgangsspannung bei einer Ausgangsleistung von 800 W dimensioniert. AlsVergleichsobjekt wurde ein zweistufiger Demonstrator der Firma Infineongewählt, der ebenfalls 12 V DC-Ausgangsspannung liefert.Der bei zweistufigen Topologien gegenwärtig erforderliche Kompromisszwischen Bauvolumen für den Zwischenkreis und Eingangsspannungsbereich desHauptwandlers kann mit drei-stufigen Lösungen nachweislich überwundenwerden. Bei diesen Konzepten wird ein zusätzlicher Wandler in denLeistungspfad eingebunden, der die Leistungsstellung übernimmt. DerHauptwandler 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 resonantesSchalten ausgelegt werden. Als Glied für die Leistungsstellung bietet sichein Tiefsetzsteller an, da er einen einfachen Aufbau besitzt, sehr gut ineinem weiten Eingangsspannungsbereich arbeiten kann und einfach zu steuernist. Der Tiefsetzsteller kann auf der Primärseite des Transformatorsangeordnet wer-den, wo er die Hauptstufe mit einer konstanten Spannungversorgt (Pre-Regulated Konzept). Die andere Variante ist die Anordnung aufder Sekundärseite des galvanisch isolierenden Wandlers (Post-RegulatedKonzept). Bei dieser Lösung überträgt der "DC-Transformator" dieZwischenkreisspannung in einem festen Verhältnis, mit all ihrenSchwankungen. Der nach-folgende Tiefsetzsteller muss die Schwankungenausgleichen und die DC-Ausgangsspannung an der Last konstant regeln.Der zweistufige Demonstrator ist eine spannungsgespeiste, partiell hartschaltende Halbbrücke mit PFC-Stufe.Die untersuchten dreistufigen,primärseitig geregelten Schaltnetzteile (Pre-Regulated) waren: ein CurrentFed Push Pull-Konverter; ein Current Fed Full Bridge-Konverter und einParallelresonanzkonverter, jeweils mit primärseitigem Tiefsetzsteller.Diebetrachteten Netzteile mit sekundärseitiger Regelung (Post-Regulated)waren: eine par-tiell hart schaltende Halbbrücke, einSerienresonanzkonverter und ein LLC-Konverter, immer mit sekundärseitigemTiefsetzsteller. Alle dreistufigen Netzteile verfügen ebenfalls über einePFC-Stufe.Die nachstehenden Teile dieses Kapitels rekapitulieren die wichtigstenErgebnisse dieser Dis-sertation.Folgende charakteristische Aussagen lassensich zu den Pre-Regulated SMPS treffen:Die primärseitigenHauptstufen-MOSFETs des Current Fed Push Pull-Konverters und des CurrentFed Full Bridge-Konverters sind einer sehr starken Spannungsbelastungausgesetzt. Die sekundärseitigen Gleichrichter-MOSFETs werden in denprimärseitig stromeingeprägten Systemen hingegen nur mit geringenÜberspannungen belastet.Der Parallelresonanzkonverter ist eine Abwandlungdes Current Fed Full Bridge-Konverters, um bewusst resonantes Schalten zuerreichen und Schaltverluste zu reduzieren. Die Belastung derSchaltelemente liegt in der Größenordnung des Vollbrückenwandlers.Nachteilig an diesem Konzept ist die Lastabhängigkeit der Resonanz aufgrundder seriellen Lastauskopplung im Schwingkreis.Die Realisierung einessekundärseitigen Synchrongleichrichters lässt sich in allen stromgespeistenTopologien nur mit erhöhtem Aufwand umsetzen.Zusammenfassend lässt sichsagen, dass ein stromgespeister Wandler nicht für die Erzeugung hoherStröme in Kombination mit niedrigen Ausgangsspannungen geeignet ist. DerHauptgrund dafür ist die negative Wirkung der Streuinduktivität auf dieaktiven Bauelemente.Die Post-Regulated Stromversorgungen sind durch nachfolgende Aussagengekennzeichnet:Die Untersuchungen der partiell hart schaltenden Halbbrücke,bei einer hohen Schaltfrequenz von 500 kHz, haben gezeigt, dass dieserWandler in keinem Betriebszustand als "DC-Transformator" geeignet ist, dasein Verhalten sehr lastabhängig ist. Eine Drossel zur Begren-zung derStromsteilheiten sowie Clampingdioden sind nötig, um einarbeitspunktabhängiges Nullspannungsschalten und gleichzeitig zulässigeSpannungsbelastungen der sekundärseitigen Gleichrichter zu erreichen.DieBegrenzungsdrossel limitiert aufgrund ihres Spannungsabfalls aber auch dieAusgangs-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 Abhängigkeitvon Schaltfrequenz, Zweigverriegelungszeit und Steuerwinkel (Grad derÜberresonanz) zum Verlust der ZVS-Bedingung. Ab diesem Zeitpunkt schaltendie primärseitigen Halbbrücken-MOSFETs hart auf die Zwischenkreisspannungein und verursachen große Schaltverluste.Als Problemlösung kann eineAbwandlung des Serienresonanzwandlers betrachtet werden, der LLC-Konverter.Dieser Konverter besitzt eine definiert reduzierte Hauptinduktivität imTransformator, so dass lastunabhängig immer ein ausreichenderMagnetisierungsstrom fließt, um die Ausgangskapazitäten der MOSFETsumzuladen. Die Untersuchungen des LLC-Konverters haben gezeigt, dass mitdiesem Wandler über den gesamten Lastbereich ein Nullspannungsschaltenmöglich ist. Der LLC-Konverter ist daher sehr gut als lastunabhängiger"DC-Transformator" geeignet. Das ist eine wichtige Erkenntnis dervorliegenden Arbeit.Der wesentliche Vorteil der dreistufigen Lösungen gegenüber denzweistufigen Konzepten ist die Einsparung von Zwischenkreiskapazität undder Ausgleich von Spannungsschwankungen (z.B. brown-out) am Zwischenkreisüber das Regelspiel des Tiefsetzstellers. Die reduzierteZwischenkreiskapazität wirkt sich positiv auf die Systemkosten und dieLeistungsdichte aus. Jede einzelne Stufe des SMPS kann separat arbeiten.Die damit verbundene Erhöhung der Freiheitsgrade dient zur Beeinflussungvon Schaltungsparametern und bewirkt eine bessere Anpassung derdreistufigen Topologien an die jeweilige Anwendung.Bei Bedarf kann aucheine Synchronisation zwischen den Stufen erfolgen. Im höherenLeistungsbereich ist eine Synchronisation zwischen PFC-Stufe und derfolgenden Stufe sinnvoll, um den Zwischenkreiskondensator zu entlasten.Die Auslegung der einzelnen Stufen eines dreistufigen Schaltnetzteils lässtsich in der Regel recht einfach realisieren, da die AufgabenLeistungsstellung und galvanische Trennung durch zwei unterschiedlicheWandler vollzogen werden. Diese klare Trennung kann in einem drei-stufigenKonzept mit LLC-Konverter zu einer Verbesserung des Systemwirkungsgradesgegenüber der zweistufigen Lösung genutzt werden.Die getrennteOptimierbarkeit der einzelnen Stufen eines Schaltnetzteils führt zu einemoptimalen Gesamtsystem.Nachteilig bei einer dreistufigen Lösung ist die höhere Bauelementeanzahlgegenüber dem zweistufigen Ansatz. Die höhere Bauelementeanzahl muss sichnicht direkt in den Systemkosten widerspiegeln. Der Vergleich derexperimentell untersuchten Netzteile, hat bei ausschließlicher Betrachtungder Bauelementekosten, ein ähnliches Kostenniveau für die zwei- unddrei-stufigen Lösungen gezeigt.Das Ziel dieser Arbeit, mit einer dreistufigen Topologie einen höherenWirkungsgrad zu er-reichen, als mit einem zweistufigen Ansatz, wurde nurbedingt erfüllt. Als Grund für dieses Ergebnis lassen sich die hohenSchaltfrequenzen in den einzelnen Stufen benennen. Die hohenSchaltfrequenzen führen zur Entstehung beachtlicher Schaltverluste. ImVolllastbetrieb wird mit dem dreistufigen LLC-Konverter eine geringereEffizienz als mit der zweistufigen Topologie erreicht. Im Teillastbetriebhingegen war der LLC-Konverter dem zweistufigen System überlegen.DieSteigerung der Leistungsdichte gegenüber der zweistufigen Lösung wurde mitden dreistufigen Lösungen erreicht, da das Bauvolumen für den Zwischenkreissignifikant verkleinert werden konnte.Die Arbeit stellt die qualitativen Eigenschaften der einzelnen Topologiendar. Die getroffenen quantitativen Aussagen basieren auf dem derzeitigenStand der Technik bei Halbleitern und passiven Bauelementen. Aufgrund derständigen Weiterentwicklung auf den Sektoren Halbleiter und passiveBauelemente haben die vorgelegten Untersuchungsergebnisse nur einen, aberdennoch sehr nützlichen, Orientierungscharakter.Diese Arbeit wurde auch zur Auslotung von aktuell relevantenSchaltfrequenzen genutzt, so dass die vorgestellten Wirkungsgrade nicht diemaximal möglichen Werte darstellen. Die Benutzung hoher Schaltfrequenzenwirkt sich negativ auf den Wirkungsgrad aus. Die Erhöhung desWirkungsgrades gegenüber den gemessenen Werten, lässt sich durch eineAbsenkung der Schaltfrequenzen erreichen. Aus dem heutigen Stand derTechnik bei Halbleitern und Magnetmaterialien lässt sich schließen, dassdreistufige Topologien mit Schaltfrequenzen im Be-reich von 70 kHz bis 130kHz optimal für die Erzielung eines hohen Systemwirkungsgrades geeignetsind.Für hohe Ausgangsleistung ist die Verwendung von kaskadierten (Interleaved)Konzepten, in Kombination mit niedrigen Schaltfrequenzen (70 kHz bis 130kHz) sinnvoll. Dabei können Auslöschungseffekte aufgrund versetzter Pulsungausgenutzt werden, um passive Bauelemen-te zu entlasten. DieLeistungsgrenzen für den Einsatz von kaskadierten Konzepten sind nicht klarabgesteckt und von der jeweiligen Anwendung abhängig.Der LLC-Konverter mit sekundärseitigem Tiefsetzsteller hat sich als bestedreistufige Topo-logie herauskristallisiert. Aufgrund der sehr gutenEigenschaften des LLC-Konverters in einer dreistufigen Topologie ist essinnvoll, in einer weiterführenden Arbeit den LLC-Wandler mit einemprimärseitig angeordneten Tiefsetzsteller zu paaren. Diese Konfigurationwürde weitere Vorteile bezüglich der Auslegung des Tiefsetzstellersbringen. Eine Wirkungsgrad-Abschätzung wurde im Rahmen dieser Arbeitbereits durchgeführt.Es wird empfohlen, die dreistufigen Schaltnetzteile in einerweiterführenden Arbeit konstruktiv zu optimieren. Dabei sollte diebestmögliche Aufbau- und Verbindungstechnik zum Einsatz kommen. Einvirtuelles 3D-Prototyping des Netzteiles mit Gehäuse, unter Einbeziehungaller elektrischen und thermischen Aspekte, kann zu einer weiteren Erhöhungder Leistungsdichte von dreistufigen Topologien führen.