Verbesserung der Ausgangsleistung von Schaltnetzteilen mit dem neuen DBx Module

Einleitung

Schaltnetzteile sind seit über sechs Jahrzehnten ein fester Bestandteil der Stromrichterindustrie und lösen einige der Probleme älterer Energieumwandlungstechnologien, bringen dabei aber auch neue mit sich. Mit der stetigen Verbesserung von Halbleiterschaltern – beispielsweise durch den Einsatz von Wide-Bandgap-Bauelementen – sind die Leistungsdichten zusammen mit höheren Wirkungsgraden gestiegen. Ein ideales Netzteil hat eine Ausgangsimpedanz von null, keine elektromagnetischen Störungen (EMI), keine Ausgangsrestwelligkeit, eine stufenlose Regelung, keine Temperaturdrift, kein physisches Volumen und keine Kosten. Lineare Netzteile erzeugen eine Gleichspannung ohne Hochfrequenzschaltung, haben eine extrem niedrige Ausgangsrestwelligkeit und ermöglichen eine stufenlose analoge Regelung. Lineare Netzteile steuern und dissipieren Leistung über in Reihe geschaltete Leistungsbauelemente, was einer idealen Quelle näherkommt – allerdings auf Kosten deutlich höherer Verlustleistung. Dennoch sind lineare Netzteile nach wie vor gefragt, insbesondere dort, wo eine bessere Ausgangsleistung benötigt wird.

Spezielle Anwendungen erfordern sowohl die hohe Leistung und hohen Wirkungsgrade von Schaltnetzteilen als auch die hohe Ausgangsqualität linearer Netzteile. Historisch haben lineare Netzteile höherer Leistung eine Hybridtopologie eingesetzt, die aus einem Thyristor-Vorregler und einem Linearregler besteht. Thyristoren auf der Primärseite des Haupttransformators begrenzen den Spannungsabfall über dem Linearregler auf der Sekundärseite. Die zyklusbegrenzte Schaltung von Thyristor-Vorreglern schränkt das Transientenverhalten des Designs stark ein. Der 50/60 Hz Trenntransformator benötigt eine wesentlich größere Stellfläche im Vergleich zu jenen in Schaltnetzteilen. Dieser Artikel stellt eine weitere Hybridtechnologie vor, die die Lücke zwischen Schalt- und Linearnetzteilen besser schließt und eine verbesserte Ausgangsleistung bei hoher Leistung bietet.

Das Grundkonzept

Eine naheliegende Verbesserung gegenüber dem Thyristor-Vorregler ist die Verwendung eines Schaltnetzteils mit seinen kleineren magnetischen Komponenten und besseren Transienten-Antwortzeiten; diese Verbesserungen gehen jedoch auf Kosten erhöhter EMI. Bei höherer Schaltfrequenz kann die Restwelligkeit am Eingang des Linearreglers minimiert werden, indem die Spannung über dem in Reihe geschalteten Leistungsbauelement gesenkt wird. Die typische Ausgangsrestwelligkeit von Schaltnetzteilen bei Ausgangsspannungen bis 1000 Vdc liegt unter 0,5 Vrms. Ein Linearregler im Bereich von 1 Volt hätte Wirkungsgrade in der gleichen Größenordnung wie ein Standard-Schaltnetzteil. Darüber hinaus müsste die vom Schaltnetzteil-Vorregler erzeugte EMI wirksam gefiltert werden.

Anstatt ein hochspezialisiertes Produkt für diese Anwendungen anzubieten, entschied sich Magna-Power, seine standardisierten getakteten, programmierbaren DC-Netzteile mit einem neuen Zusatzmodul zu verwenden, um die Leistungsspezifikationen des Produkts zu verbessern und denen linearer Netzteile anzunähern. Das neue Produkt heißt DBx Module und ist in Abbildung 1 dargestellt. Es umfasst einen linearen Ausgangsregler zur Minimierung der niederfrequenten Ausgangsrestwelligkeit, Differenzmodus- und Gleichtakt-EMI-Filter sowie ein erweitertes Regelungskonzept. Dieses Zusatzmodul ermöglicht es leistungsstarken Schaltnetzteilen, sich eher wie leistungsstarke lineare Netzteile zu verhalten. Das Regelungskonzept des DBx Module stellt den Ausgang des Schaltnetzteils auf ca. 1 Vdc über der gewünschten Ausgangsspannung ein, damit der Linearregler die niederfrequente Ausgangsrestwelligkeit minimieren kann.

Für die Regelung im geschlossenen Regelkreis sind – bei einem digitalen System – hochauflösende Digital-Analog- und Analog-Digital-Wandler erforderlich. Mit 18-Bit-Wandlern ist eine Sollwertgenauigkeit von 4 ppm möglich, sofern die umgebende Analogschaltung eine ähnliche Genauigkeit aufweist. Die Genauigkeit wird durch thermische Stabilisierung weiter erhöht, die die Ausgangsspannung über einen angemessenen Umgebungstemperaturbereich auf weniger als 25 ppm geregelt hält.

Der Ausgangsfilter

Schaltnetzteile sind dafür bekannt, EMI zu erzeugen. Differenzielle Leitungs-EMI wird durch das Ein- und Ausschalten von Leistungsbauelementen und den Fluss hochfrequenter Oberschwingungsströme durch nicht-ideale Ausgangskondensator-Impedanzen abgestrahlt. Gleichtakt-EMI (Leitung gegen Masse) wird durch Ströme erzeugt, die durch die Schnittstelle von Ausgangsdioden und Kühlkörper-Masse-Kapazität sowie die Transformator-Ausgangswicklungskapazität gegen Masse fließen. Obwohl Eingangsleitungsfilter üblicherweise nicht in Netzteilausgängen eingesetzt werden, kann dieser Filtertyp dennoch wirksam sein.

Abbildung 2a und Abbildung 2b zeigen typische Differenz- und Gleichtaktstörungen eines 6000 W DC-Netzteils. In den Messungen gibt es Bereiche, die EMI-Erzeugung zeigen, was für Produkte in diesem Leistungsbereich typisch ist. Obwohl dies normalerweise nicht Teil von EMI-Untersuchungen ist, gibt es einen hohen Signalpegel nahe der Gleichspannung. Dies ist eine Messung der Wechselspannungs-Ausgangsrestwelligkeit.

Abbildung 3a und Abbildung 3b zeigen denselben Testaufbau, jedoch mit angeschlossenem DBx Module. Beim Vergleich der beiden Messergebnisse zeigt sich ein Band von Oberschwingungen unterhalb von 1 MHz bei installiertem DBx Module. Diese Spektralkomponenten resultieren aus einem im DBx Module verwendeten Schaltnetzteil zur Versorgung der Regelungselektronik. Bedeutsamer ist die Amplitude der niederfrequenten Oberschwingungen im Aufbau ohne installiertes DBx Module. Diese Reduzierung ist auf die Ausgangsrestwelligkeit zurückzuführen, die im nächsten Abschnitt behandelt wird.

Tabelle 1 zeigt den EMI-Filter des DBx Module in Form der Einfügungsdämpfung – eine gängige Methode zur Bewertung von Eingangs-EMI-Filtern.

Linearregler

Die größte Herausforderung beim Design des Ausgangsfilters ist die Unterdrückung niederfrequenter Oberschwingungen. Die Ausgangsrestwelligkeit kann bis zur Netzfrequenz reichen. Für diese niedrigen Frequenzen sind passive LC-Filter aufgrund der bei hoher Leistung erforderlichen Größe der magnetischen Komponenten nicht praktikabel. Ein linearer Regler kann die niederfrequente Restwelligkeit unterdrücken, wenn darauf geachtet wird, einen niedrigen Gleichspannungsabfall über dem in Reihe geschalteten Leistungshalbleiter beizubehalten.

Abbildung 4 zeigt das Blockschaltbild und die zugehörige Schaltung eines 1,25 V Linearreglers. Wie dargestellt, benötigt der Regler zwei Regelkreise: einen zur Aufrechterhaltung eines 1,25 V Gleichspannungsabfalls über dem Linearregler und einen zweiten zur Erzeugung einer Wechselspannungs-Restwelligkeitskompensation über dem in Reihe geschalteten Leistungshalbleiter, die gleich groß und entgegengesetzt zur Wechselspannungs-Restwelligkeit am Eingang ist. Einige in Reihe geschaltete Dioden über dem Regler bieten Schutz vor Stromstößen und Überspannungstransienten – ein Schwachpunkt konventioneller Linearregler.

Abbildung 5a und Abbildung 5b zeigen die typische Dämpfung der Brummspannung ohne und mit dem Linearregler des DBx Moduls. Beachten Sie, dass die niedrigere Frequenz bei Einsatz des Linearreglers verschwindet. Das DBx Modul reduziert die Brummspannung von 55 mV auf 3,2 mV, was einer Dämpfung von 24,7 dB entspricht.

Der Regler

Für eine präzise und genaue Leistung sind temperaturstabilisierte Premium-Komponenten innerhalb des geschlossenen Regelkreises erforderlich, insbesondere: die Spannungsreferenz, hochauflösende Analog-Digital-Wandler, nullfluss-Stromwandler und Widerstände mit niedrigem Temperaturdrift. Selbst mit modernsten Komponenten führt ein geringer Temperaturkoeffizient von 0,5 ppm/°C zu einer Abweichung von 12,5 ppm über einen Bereich von 25 °C. Um eine solche Temperaturabweichung zu reduzieren, ist ein temperaturgesteuertes Gehäuse zur Kapselung temperaturempfindlicher Komponenten erforderlich. Eine kompakte Anordnung und thermische Nähe der kritischen Bauteile beschleunigt die Zeit, die zur Stabilisierung der Gehäusetemperatur benötigt wird; die Abweichung sollte 1 °C nicht überschreiten.

Abbildung 6 zeigt die Schnittstellenverbindungen eines MagnaDC Netzteils mit einem DBx Modul. Der Steuerausgang des DBx Moduls speist den Analogeingang des Netzteils. Der Leistungsausgang des Netzteils speist den DC-Eingang des DBx Moduls. Die Last wird an die DC-Ausgangssammelschiene des DBx Moduls angeschlossen.

Die vollständigen Systemleistungsspezifikationen finden Sie auf der DBx Modul-Produktseite.

Fazit

Dieser Artikel beschreibt eine neue Hybridtechnologie, die die besten Eigenschaften eines Schaltnetzteils mit denen eines Linearnetzteils vereint. Das Schaltnetzteil regelt etwa 1 V über dem gewünschten Ausgangssollwert, um eine niedrige Spannung über dem Seriendurchlass-Halbleiter des Linearreglers aufrechtzuerhalten. Der Seriendurchlass-Halbleiter wird so gesteuert, dass er die vom Schaltnetzteil erzeugte Ausgangsspannungswelligkeit kompensiert. Filter am Ausgang des Netzteils reduzieren die vom Schaltnetzteil erzeugte EMV. Hochleistungsfähige, temperaturstabilisierte Komponenten sorgen dafür, dass der Ausgang über einen weiten Temperaturbereich konstant bleibt. Das neue Rack-Einschubmodul ist für die Kombination mit handelsüblichen Schaltnetzteilen konzipiert.