Gleichspannungswandler

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Ein Gleichspannungswandler, auch DC-DC-Wandler genannt, englisch DC-DC Converter, bezeichnet eine elektrische Schaltung, die eine am Eingang zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandelt. Die Umsetzung erfolgt mithilfe eines periodisch arbeitenden elektronischen Schalters und eines oder mehrerer Energiespeicher. Gleichspannungswandler zählen zu den selbstgeführten Stromrichtern. Im Bereich der elektrischen Energietechnik werden sie auch als Gleichstromsteller bezeichnet.

Die zur Zwischenspeicherung der Energie benutzte Induktivität (induktiver Wandler) besteht aus einer Spule oder einem Wandler-Transformator. Im Gegensatz dazu werden Wandler mit kapazitiver Speicherung (kapazitiver Wandler) als Ladungspumpen bezeichnet. Ladungspumpen werden eingesetzt, wenn entweder – wie in integrierten Schaltungen – Induktivitäten nicht verfügbar sind, oder wenn so wenig Ausgangsleistung erforderlich ist, dass sich der Einsatz der teuren Spulen gegenüber den billigen Kondensatoren nicht lohnt.

Anwendungen[Bearbeiten]

Gekapselter DC-DC-Wandler in Modulbauform für Leiterplattenbestückung

Gleichspannungswandler sind Bestandteil von Schaltnetzteilen, mit denen Verbraucher wie PC-Netzteile, Notebooks, Mobiltelefone, Kleinmotoren, HiFi-Geräte uvm. betrieben werden. Die Vorteile gegenüber Linearnetzteilen liegen im besseren Wirkungsgrad und geringerer Wärmeentwicklung. Vor allem ersteres spielt bei der Wandlung einer Batteriespannung eine große Rolle, da die Lebensdauer der Batterie bei einem Schaltnetzteil wesentlich höher liegt: Bei einem linearen Spannungsregler oder einem Vorwiderstand hingegen wird die am Längswiderstand abfallende Leistung in Abwärme umgewandelt. Die beim Schaltnetzteil auftretenden Schaltverluste sind dagegen wesentlich geringer.

Neben seinem Zweck als Spannungswandler dient ein getakteter Spannungssteller auch gleichzeitig als Filter, um besonders bei Hochleistungsanwendungen den negativen Einfluss auf das Stromnetz (so genannte Netzrückwirkung) so gering wie möglich zu halten. Ein Beispiel ist die aktive Leistungsfaktorkorrektur (PFC).

DC-DC-Wandler werden auch als vollständig gekapselte Wandlermodule angeboten, welche teilweise für die direkte Bestückung auf Leiterplatten vorgesehen sind. Die Ausgangsspannung kann je nach Bauart kleiner, gleich oder größer als die Eingangsspannung sein. Am bekanntesten sind die Baugruppen, welche eine Kleinspannung auf eine galvanisch getrennte Kleinspannung übersetzen. Die gekapselten DC-DC-Wandler werden für Isolationsspannungen von 1,5 kV bis über 3 kV angeboten und dienen der Stromversorgung kleiner Verbraucher in Gleichspannungsnetzen wie z. B. an 24 V in Industrieanlagen oder an 48 V in der Telekommunikation oder Bereich elektronischer Baugruppen beispielsweise 5 Volt für Digitalschaltungen oder ±15 Volt für den Betrieb von Operationsverstärkern.

Gleichspannungswandler für hohe Ausgangsspannungen (z. B. Elektronenblitzgerät) heißen auch Transverter.

In der elektrischen Energietechnik und Antriebstechnik werden Gleichstromwandler als Gleichstromsteller bezeichnet. Die Unterschiede betreffen primär den Einsatz und den Leistungsbereich. Als Schalter, im Bereich der Energietechnik auch als Ventile bezeichnet, kommen dabei Leistungs-MOSFET, IGBTs und Thyristoren zum Einsatz. Gleichstromsteller werden in diesem Anwendungsgebiet auch als Kombination in Form des Zwei- oder Vierquadrantensteller eingesetzt. In Anlehnung an diese Terminologie bezeichnet man den einfachen Gleichstromsteller als Einquadrantensteller.

Topologien (Grundschaltungen)[Bearbeiten]

Gleichspannungswandler werden nach verschiedenen Kriterien klassifiziert und in verschiedene Topologien eingeteilt. Die Zuordnung der einzelnen Topologien zu den Hauptgruppen Flusswandlerprinzip, Sperrwandlerprinzip und Resonanzwandlerprinzip ist in der Literatur nicht einheitlich festgelegt.

Der Parameter D in der Spalte Spannungsbereich spezifiziert den Pulsbreitenfaktor, welcher im Bereich von 0 bis 1 liegen kann. Die Spannung UE ist die Eingangsspannung mit gültigen Bereich in Relation zur Ausgangsspannung UA und dem Übersetzungsverhältnis.

Wandlertopologien ohne galvanische Trennung
Wandlertyp Energieübertragende
Bauelemente
Spannungsbereich Vereinfachte Schaltung
Ladungspumpe
positiv
Kondensator UE > 0,
UA > UE
Ladungspumpe pos einf.svg
Ladungspumpe
negativ
Kondensator UE > 0,
UA < 0
Ladungspumpe neg einf.svg
Abwärtswandler
(englisch Buck Converter)
Speicherdrossel 0 ≤ UA ≤ UE,
U_A = D \cdot U_E
Buck converter.svg
Aufwärtswandler
(englisch Boost Converter)
Speicherdrossel UA ≥ UE,
U_A = \frac{1}{1 - D} \cdot U_E
Boost converter.svg
Inverswandler
(englisch Buck–Boost Converter)
Speicherdrossel UA ≤ 0,
U_A = -\frac{D}{1 - D} \cdot U_E
Buckboost converter.svg
Synchronwandler Speicherdrossel 0 ≤ UA ≤ UE,
U_A = D \cdot U_E
Leistungsflussrichtung wählbar
Synchronous converter.svg
SEPIC-Wandler Zwei Speicherdrosseln
und Kondensator
UE > 0,
U_A = \frac{D}{1 - D} \cdot U_E
SEPIC Schaltung.svg
Ćuk-Wandler Zwei Speicherdrosseln
und Kondensator
UE > 0,
U_A = -\frac{D}{1 - D} \cdot U_E
Cuk Schaltung.svg
Zeta-Wandler Zwei Speicherdrosseln
und Kondensator
UE > 0,
U_A = \frac{D}{1 - D} \cdot U_E
Zeta Schaltung.svg
Doppelinverter Zwei Speicherdrosseln
und Kondensator
UE > 0,
 U_A = - \dfrac {D} {1 - D} \cdot U_E
Doppelinverter Schaltung.svg
Split-Pi-Wandler
(englisch Boost–Buck Converter)
Zwei Speicherdrosseln
und Kondensator
Beliebig,
Leistungsflussrichtung wählbar
Split-Pi SMPS.svg
Kaskadierter Ab- Aufwärtswandler
(englisch buck-boost converter)[1]
Speicherdrossel Beliebig,
Leistungsflussrichtung wählbar
Buck boost converter.svg
Wandlertopologien mit galvanischer Trennung
Wandlertyp Energieübertragende Bauelemente Leistungsbereich Vereinfachte Schaltung
Sperrwandler
(englisch Fly-Back Converter)
gekoppelte Speicherdrossel mit Luftspalt.
Aufbau wie ein Transformator, allerdings
im Gegensatz zu einem Transformator mit einem
Luftspalt im Kern, welcher der Energiespeicherung dient.
< 250 W Flyback converter.svg
Eintaktflusswandler
(englisch Forward Converter)
Transformator und
zusätzliche Speicherdrossel
< 500 W Forward converter.svg
Gegentaktflusswandler
(englisch Push–pull Converter)
unterteilt in:
  1. Halbbrückenflusswandler
  2. Vollbrückenflusswandler
Transformator Halbbrücke: 100 W bis 2 kW
Vollbrücke: > 300 W
bis in den kW-Bereich
Vollbrückenflusswandler
Resonanzwandler Resonanzkreis bestehend aus Kondensator CR und Drossel LR,
auch als Resonanztransformator bezeichnet.
Bei galvanischer Trennung mit zusätzlichen
Transformator Tr erweitert.[2]
Einige 10 W
bis in den kW-Bereich
Resonant converter.svg
Brückenloser-PFC-Wandler Resonanzkreis bestehend aus zwei Kondensatoren und zwei
magnetisch gekoppelten Drossel und Übertrager.
Einige 10 W
bis in den unteren kW-Bereich
Single-Stage Isolated Bridgeless PFC Converter.svg

Resonanzwandler[Bearbeiten]

Beispiel eines Resonanzwandlers kleiner Leistung. Der zur Energieübertragung genutzte Transformator ist gleichzeitig Teil des Schwingkreises.

Eine eigene Klasse stellen die Resonanzwandler dar. Diese unterteilen sich in zwei große Gruppen:

  • Für Leistungsanwendungen über 1 kW aufwärts, mit dem Ziel die Verlustleistungen bei den Schaltvorgängen in den Schalttransistoren zu minimieren. Diese Resonanzwandler kommen in zwei Varianten vor, welche entwender immer nur im Nulldurchgang der Spannung oder immer nur im Nulldurchgang des Stroms geschaltet werden. Dabei bildet die leistungsübertragende Strecke inklusive des Transformators einen Schwingkreis mit zusätzlichen Kapazitäten und Induktivitäten, welcher die bei diesen Wandlern fixe Schaltfrequenz bestimmt.
  • Für sehr kompakte Stromversorgungen kleiner Leistung im Bereich einiger 10 W, welche mit einer minimalen Zahl an Bauelementen auskommen müssen und im Aufbau sehr kostenempfindlich sind. Der Vorteil besteht darin, keinen eigenen Schwingkreis und Regelung mit zusätzlichen elektronischen Bauelementen zu benötigen. Anwendungsbeispiele sind die auch als Inverter bezeichneten Stromversorgungen für Kaltkathodenröhren und Energiesparlampen.

Beiden Gruppen gemeinsam ist, dass im Schaltnetzteil kein getrennter Oszillator vorhanden sein muss, sondern die energieübertragenden Bauelemente, wie der eventuell vorhandene Transformator, sind ein Teil des Schwingkreises.

Multiphasenwandler[Bearbeiten]

Hier werden jeweils innerhalb der obigen Konzepte (Topologien) mehrere Gruppen, bestehend aus jeweils einem Schalter mit zugeordneten Induktivitäten, parallel geschaltet, wobei die einzelnen Glieder in fester Sequenz gesteuert, jedoch entsprechend aufwändiger geregelt werden. Dieses Prinzip ist vom Drehstrom bekannt. Die Zahl der Phasen und Glieder ist nur auf die jeweilige Konstruktion begrenzt. Die Gruppenbildung dient der Leistungssteigerung und dem lückenlosem Stromfluss. Die Totpunkte des einzelnen Wandlers werden durch einen phasenverschoben betriebenen anderen der Gruppe ersetzt.[3]

Daher ändern sich die Eigenschaften des Wandlers:

  • Erhöhung der Stromlieferfähigkeit
  • Minderung der Restwelligkeit (Ripple)
  • Verkleinerung der benötigten Kapazitäten
  • Verminderung der Störstrahlung durch niedrigere Schaltfrequenzen relativ zur Stärke des Ausgangsstroms

Bauelemente im Gleichspannungswandler[Bearbeiten]

Kondensatoren[Bearbeiten]

Gleichspannungswandler benötigen im Leistungsteil im Allgemeinen Kondensatoren, welche typischerweise in Form von Elektrolytkondensatoren ausgeführt sind. Hierzu benötigt man Kondensatortypen mit einem niedrigen Serienwiderstand (ESR) und ausreichender Spannungsreserve aufgrund der Spannungsspitzen. Alternativ kann die Reduktion des ESR durch Parallelschaltung von Elektrolytkondensatoren erfolgen.

Bei Gleichspannungswandler auf Hauptplatinen in der Nähe von größeren Verbrauchern wie dem Hauptprozessor (CPU) können in Keramikvielschicht-Chipkondensatoren (MLCC) auch hörbare Töne auftreten. Zufolge periodischer niederfrequenter Lastschwankungen und Intermodulationsprodukte sind sie als Töne wie ein Pfeifen oder Zischen wahrnehmbar und von verschiedenen Einflüssen wie dem Aufbau des Gleichspannungswandlers und seinen Betriebsparametern abhängig.[4] Die Ursache sind schwache und in diesem Fall unerwünschte piezoelektrische Effekte in den verwendeten Keramikwerkstoffen der Keramikkondensatoren, die zu mechanischen Schwingungen führen.[5]

Literatur[Bearbeiten]

  •  Otmar Kilgenstein: Schaltnetzteile in der Praxis. 3 Auflage. Vogel Buchverlag, 1992, ISBN 3-8023-1436-0.

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. ST AN2389: "An MCU-based low cost non-inverting buck-boost converter for battery chargers"
  2. Beschreibung von Resonanzwandlern
  3. Microchip: Multiphase Synchronous Buck Converter (PDF; 825 kB) (englisch). Seite 4 ff.
  4. Vorlage:Internetquelle/Wartung/Datum nicht im ISO-FormatVoltage Regulator-Down (VRD) 11.1, Processor Power Delivery Design Guidelines. Intel, September 2009, abgerufen am 12. Januar 2013.
  5. Pfeifendes Mainboard. c't Magazin 15/10, 2010, abgerufen am 12. Januar 2013.