Ein Überblick über stromgespeiste Leistungsverarbeitung

Schaltnetzteile im Leistungsbereich von mehreren zehn Kilowatt haben in den letzten Jahrzehnten langsam die traditionellen, auf Thyristoren (SCR) basierenden Topologien ersetzt. Die Vor- und Nachteile sind allgemein bekannt. Der Hochfrequenzbetrieb von Schaltnetzteilen ermöglicht eine Verkleinerung und Gewichtsreduzierung magnetischer Komponenten und erlaubt schnellere Reaktionszeiten auf Netz- und Laststörungen. Der Hauptnachteil besteht darin, dass die Anforderungen an die Schaltbauelemente dazu führen, dass Hochleistungs-Schaltnetzteile tendenziell weniger zuverlässig sind als ihre SCR-basierten Gegenstücke.

Zahlreiche Leistungsschaltungstopologien werden derzeit für Hochleistungs-Schaltanwendungen eingesetzt. Die gebräuchlichsten Konfigurationen bestehen aus drei Leistungsumwandlungsstufen:

• Ein AC-DC-Wandler, der die dreiphasige Netzspannung in eine Gleichspannung umwandelt.
• Ein DC-AC-Wechselrichter oder -Wandler, der die Spannung auf dem DC-Bus in eine hochfrequente Wechselspannung umwandelt.
• Ein sekundärer AC-DC-Wandler, der die hochfrequente Wechselspannung in Gleichspannung umwandelt.

Die beiden AC-DC-Wandler sind in ihrer Funktion sehr ähnlich, mit Ausnahme der Betriebsfrequenzen; die Wandler bestehen hauptsächlich aus Gleichrichtern, Tiefpassfiltern und Schutzbeschaltungen. Die Schutzbeschaltungen begrenzen Schaltspannungstransienten und absorbieren Energie aus parasitären Komponenten. Die zweite Stufe, der DC-AC-Wandler, erzeugt eine Hochfrequenzspannung, die einen Transformator bei einer Frequenz von üblicherweise 20 kHz oder höher ansteuert. Der Transformator ist für die galvanische Trennung und die Erzeugung einer Ausgangsspannung gemäß dem Übersetzungsverhältnis des Transformators erforderlich. Der DC-AC-Wandler ist die komplexeste Stufe, und es sind zahlreiche Leistungsverarbeitungstopologien derzeit in der Produktion im Einsatz.

Die meisten Hochleistungs-DC-AC-Wandler verwenden eine H-Brücken-Konfiguration mit vier Leistungsbauelementen zur Anregung des Hochfrequenztransformators. Die H-Brücke wird mit Pulsweitenmodulation (PWM) oder anderen Modulationsstrategien gesteuert, um eine Spannung mit begrenzter Pulsbreite oder Amplitude zu erzeugen. Die Modulation der H-Brücke erzeugt eine regelbare Ausgangsspannung.

DC-AC-Wandlertopologien lassen sich in drei Gruppen einteilen: hartschaltende Wandler, weichschaltende Wandler und Resonanzwandler. Der Hauptunterschied zwischen den Topologien liegt in der Arbeitskennlinie des Schaltbauelements während der Kommutierungsperiode (Schaltübergang). Während der Kommutierungsperiode dissipieren die Leistungsbauelemente die meiste Verlustleistung.

Hartschaltende Wandler lassen die Leistungsbauelemente und/oder Schutzbeschaltungen die Kommutierungsenergie absorbieren. Weichschaltende Wandler verfügen über zusätzliche passive Schaltungen zur Formung der Leistungswellenformen, um Verluste während der Kommutierungsperiode zu reduzieren. Der Vorteil reduzierter Kommutierungsverluste wird durch erhöhte Schaltungskomplexität, zusätzliche Durchlassverluste (aufgrund der Wellenformmodifikation) und Empfindlichkeit gegenüber Lastbedingungen aufgewogen. Resonanz-Leistungswandler verfügen über hochabgestimmte Schwingkreise, die entweder die Bauelementspannung oder den Strom sinusförmig erscheinen lassen. Die Vor- und Nachteile sind ähnlich wie bei weichschaltenden Wandlern. Resonanz-Leistungswandler sind zweiter Ordnung, und das Timing ist kritischer als bei weichschaltenden Wandlern.

Hartschaltende, weichschaltende und Resonanzwandler werden üblicherweise für den Betrieb an einer DC-Spannungsquelle ausgelegt und allgemein als spannungsgespeiste Wandler bezeichnet. Spannungsgespeiste Wandler sind charakteristisch anfällig für Shoot-Through-Probleme, die auftreten können, wenn ein Bauelement nicht abschaltet, bevor das andere in Reihe geschaltete Bauelement einschaltet. Obwohl Schutzschaltungen zur Minimierung katastrophaler Probleme entworfen werden können, muss eine solche Schutzschaltung generell Shoot-Through-Probleme innerhalb von ein bis zwei Mikrosekunden erkennen können. Variationen der Bauelementparameter und abnormale Modulation spannungsgespeister Wandler können Halbzyklus-Spannungsungleichgewichte verursachen, die zu einer Transformatorkernsättigung führen können. Schutzschaltungen müssen auch in der Lage sein, diese Zustände zu erkennen, bevor Schäden an den Leistungshalbleitern auftreten können.

Stromgespeiste Leistungswandler [1]-[3], das elektrische Dual spannungsgespeister Wandler, sind eine weitere, aber weniger bekannte und eingesetzte Leistungsschaltungsalternative für die Energieumwandlung. Der Vorteil dieser Leistungswandler gegenüber ihren spannungsgespeisten Gegenstücken besteht darin, dass Shoot-Through und Halbzyklussymmetrie keinen Bauelementausfall oder Kernsättigung verursachen können. Dies ist charakteristisch für SCR-basierte Wandler und einer der Hauptgründe, warum stromgespeiste Wandler tendenziell robuster sind. Der Hauptnachteil stromgespeister Wandler ist, dass eine vierte Leistungsumwandlungsstufe erforderlich ist, um die DC-Busspannung in einen DC-Strom umzuwandeln. Obwohl die zusätzliche Stufe zu erhöhter Komplexität und Verlusten führt, können die Leistungsumwandlungsstufen effizienter gestaltet werden. Stromgespeiste Leistungswandlertopologien werden weniger häufig als spannungsgespeiste Wandler implementiert, hauptsächlich aufgrund der Kosten.

Dieser Artikel beschreibt die Unterschiede zwischen spannungsgespeisten und stromgespeisten Wandlern sowie die Empfindlichkeiten gegenüber Bedingungen, die Leistungshalbleiter belasten. Fragen zur Implementierung der vierten Leistungsumwandlungsstufe, dem Spannungs-Strom-Wandler, werden ebenfalls erörtert.

Eigenschaften spannungsgespeister Wandler

Ein vereinfachtes Schaltbild eines spannungsgespeisten Wandlers ist in Abbildung 1 dargestellt. Der Wandler besteht aus einer H-Brücke, Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT) Q1 bis Q4, Leistungstransformator T1 und Ausgangsgleichrichterdioden D5 bis D8. Die Eingangsspannungsquelle kann eine Batterie, ein DC-Netzteil oder ein gleichgerichteter AC-Bus sein. Aus praktischen Gründen wird Kondensator C1 benötigt, um einen niederohmigen Bus bei höheren Frequenzen sicherzustellen. Induktivität L1 und Kondensator C2 bilden einen Tiefpassfilter, der die Wechselanteile am Ausgang entfernt.

Bei konventionellen, hartschaltenden PWM-Modulationsverfahren leiten Q1, Q4 für einen Bruchteil einer Halbperiode, und Q2, Q3 leiten für einen Bruchteil der anderen Halbperiode. Dies erregt den Transformator T1 gleichmäßig in abwechselnden Halbperioden. Die Mittelung der gleichgerichteten Spannung auf der Sekundärseite des Transformators ergibt eine DC-Ausgangsspannung, die proportional zur Leitdauer der IGBTs ist.

Das Timing bei spannungsgespeisten Wandlern ist kritisch. Wenn die IGBTs Q1, Q2 oder Q3, Q4 gleichzeitig leiten, steigt der Strom in den leitenden Bauelementen schnell an und führt innerhalb von Mikrosekunden zum Bauelementausfall. Um diesen kritischen Betriebszustand zu verhindern, führen Entwickler Einschaltverzögerungen in den Modulationsverfahren ein, überwachen DC-Busströme und erfassen die Durchlasszustände der Leistungsbauelemente. Die Herausforderung bei der erfolgreichen Implementierung dieser Schutzverfahren besteht darin, dass die Schaltung sowohl auf Hochgeschwindigkeitsfehler ansprechen als auch gegenüber elektrischem Rauschen unempfindlich sein muss. Dies ist eine beachtliche Herausforderung, insbesondere wenn die Leistungspegel in der Größenordnung von mehreren zehn Kilowatt liegen.

Ein sekundäres Problem bei spannungsgespeisten Wandlern ist die Erzeugung von DC-Spannungen durch Variationen der Durchlassspannungen, Variationen der Anstiegs- und Abfallzeiten sowie fehlerhafte Schaltzustände. Die Erregung eines Transformators mit DC-Spannung verursacht Kernsättigung und Leistungsbauelementausfall, wie zuvor beschrieben. Typische Methoden zur Vermeidung katastrophaler Ereignisse sind das Einbringen von Luftspalten in den Transformator, das Einfügen von DC-Blockkondensatoren in Reihe mit der Primärwicklung des Transformators sowie der Einsatz von Stromregelungsmodulation zur zyklusweisen Strombalancierung.

Eigenschaften stromgespeister Wandler

Stromgespeiste Wandler sind das elektrische Dual spannungsgespeister Wandler. Wie in Abbildung 2 dargestellt, bestehen stromgespeiste Wandler aus einer H-Brücke, IGBTs Q1 bis Q4, Leistungstransformator T1 und Ausgangsgleichrichterdioden D5 bis D8. Die Eingangsstromquelle muss mit zusätzlicher Leistungselektronik erzeugt werden. Aus praktischen Gründen wird Induktivität L1 benötigt, um einen hochohmigen Bus bei höheren Frequenzen sicherzustellen. Im Gegensatz zu einem spannungsgespeisten Wandler besteht der Ausgangsfilter aus einer einzigen Komponente, Kondensator C1.

Stromgespeiste Wandler arbeiten in einem Modus, in dem Spannungs- und Stromverläufe gegenüber denen spannungsgespeister Wandler vertauscht sind. Der Betrieb erfordert eine PWM-Modulation der IGBTs Q1 bis Q4, jedoch mit der Einschränkung, dass Q1, Q3 oder Q2, Q4 niemals gleichzeitig in einen nichtleitenden Zustand versetzt werden dürfen. Diese Einschränkung stellt sicher, dass die Eingangsimpedanz der H-Brücke immer endlich ist; andernfalls würde eine Stromquelle, die in einen offenen Stromkreis einspeist, eine zerstörerische Hochspannung erzeugen. (Wie zu beachten ist, sind die Einschränkungen der Schaltzustände und die Bedingungen für abnormalen Betrieb das elektrische Dual der spannungsgespeisten Topologie.) Die Mittelung des gleichgerichteten Stroms auf der Sekundärseite des Transformators erzeugt einen DC-Ausgangsstrom, der proportional zur Leitdauer der IGBTs ist.

Transformator T1, der mit einem Strom-PWM-Signal angeregt wird, ist im Wesentlichen unempfindlich gegenüber Schwankungen der Durchlassspannungen, Schwankungen der Anstiegs- und Abfallzeiten sowie fehlerhaften Schaltzuständen. Bei stromgespeisten Wandlern kann eine Kernsättigung verhindert werden, solange die Amperewindungs-Anregung innerhalb der Grenzen des normalen Betriebs liegt, selbst wenn der Strom Gleichstrom ist.

Der Nachteil stromgespeister Wandler besteht darin, dass Stromquellen nicht allgemein verfügbar sind und solche Quellen aus einer Spannungsquelle erzeugt werden müssen. Der Einsatz von Abwärtswandlern oder Choppern ist eine naheliegende Wahl aufgrund ihrer sehr effizienten Nutzung von Leistungshalbleitern. Mit dieser zusätzlichen Leistungswandlungsstufe kann die Regelung im stromgespeisten Wandler, im Chopper oder in beiden erfolgen. Abbildung 3 zeigt einen Hochleistungswandler mit einem 3-Phasen-Eingangsgleichrichter, Chopper, stromgespeistem Wandler und Ausgangsgleichrichter.

Das neuartige Merkmal des stromgespeisten Wandlers in Kombination mit einem Eingangs-Chopper ist sein Verhalten unter abnormalen Betriebsbedingungen. Transformator T1, IGBTs Q1 bis Q5 und Dioden D1 bis D8 können alle in einem Kurzschlusszustand mit Schutz auf Systemebene betrieben werden. Unter solchen Bedingungen ist die Stromanstiegsrate eine Funktion der an Induktivität L1 angelegten Spannung geteilt durch deren Induktivität. Induktivität L1 wird typischerweise so dimensioniert, dass der Spitze-zu-Spitze-Rippelstrom innerhalb eines Bruchteils ihres Maximalwerts bleibt. Solange die Systemabschaltung innerhalb der Schaltperiode des Choppers erfolgt, sind Spitzenströme gut kontrolliert. Die Zulassung einer verlängerten Fehlererkennungsperiode ermöglicht eine gute Filterung der Fehlerschutzschaltung und damit einen robusten, störungsfreien Auslösebetrieb in Umgebungen mit hohem elektrischem Rauschen.

Ein weiteres Schlüsselmerkmal der Kombination aus Chopper und stromgespeistem Wandler ist, dass jede Schaltung die andere mit einem einzigen Erkennungsschema vor abnormal hohen Strömen schützen kann. Ein Fehler in der Wandlerstufe kann durch die Abschaltung des Choppers geschützt werden, und ein Fehler in der Chopperstufe kann durch die Abschaltung des stromgespeisten Wandlers geschützt werden.

Die zuvor genannten Einschränkungen der Schaltzustände des stromgespeisten Wandlers können durch die Einführung der Fangdiode D16 umgangen werden. Dieses Bauteil bietet einen Stromrückführungspfad für die IGBTs Q1, Q3 oder Q2, Q4, wenn die Bauelemente ausgeschaltet sind. Diode D16 begrenzt die maximale Sperrspannung der H-Brücke auf die Spannung über Kondensator C1.

Fazit

Dieser Artikel beschreibt die allgemeinen Eigenschaften von spannungs- und stromgespeisten Hochleistungswandlern und ihre Empfindlichkeit gegenüber Bauelementparameterschwankungen und fehlerhaften Schaltzuständen. Spannungsgespeiste Wandler haben in der Regel in Reihe geschaltete Leistungsbauelemente über einem Eingangskondensator. Abnormale Schaltzustände können eine gleichzeitige Bauelementleitung ermöglichen, wodurch Ströme sehr schnell ansteigen. Darüber hinaus können spannungsgespeiste Wandler auch DC-Offsets erzeugen, die zur Sättigung des Magnetkerns des Haupttransformators führen können. Zum Schutz der Leistungshalbleiter unter diesen Bedingungen ist eine Hochgeschwindigkeits-Fehlererkennung erforderlich. Der Schutz von Leistungshalbleitern in Umgebungen mit hohem elektrischem Rauschen ist schwierig.

Stromgespeiste Wandler sind das elektrische Dual spannungsgespeister Wandler und bevorzugen einen Kurzschlusszustand gegenüber einem offenen Betriebszustand. Diese Topologien können keine schnell ansteigenden Stromspitzen erzeugen und keine Magnetkernsättigung unter fehlerhaften Bedingungen verursachen. Stromgespeiste Wandler arbeiten mit der Robustheit von SCR-basierten Netzteilen, jedoch bei hoher Frequenz. Stromgespeiste Wandler erfordern eine zusätzliche Leistungsverarbeitungsstufe, die für die Regelung und einen verbesserten Systemschutz genutzt werden kann.

Referenzen

• A. I. Pressman, Switching Power Supply Design - Second Edition, New York, NY: McGraw-Hill, 1998.
• P. Wood, Switching Power Converters, New York, NY: Van Nostrand Reinhold Company, 1981.
• D. W. Shimer, A. C. Lange, J. N. Bombay, "A High-Power Switch-Mode DC Power Supply for Dynamic Loads," presented at the IEEE-IAS Annual Meeting, Oct. 1994.