Gleichspannungswandler

EinGleichspannungswandler,auchDC-DC-Wandlergenannt,englischDC-DC Converter,bezeichnet eineelektrische Schaltung,die eine am Eingang zugeführteGleichspannungin eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandelt. Die Umsetzung erfolgt mithilfe eines periodisch arbeitenden elektronischen Schalters und eines oder mehrerer Energiespeicher. Sie bilden nebenGleichrichtern,WechselrichternundUmrichterneine Untergruppe derStromrichterund zählen zu den selbstgeführten Stromrichtern. Im Bereich derelektrischen Energietechnikwerden sie auch alsGleichstromstellerbezeichnet.

Die zur Zwischenspeicherung der Energie benutzteInduktivität(induktiver Wandler)besteht aus einerSpuleoder einem Wandler-Transformator. Im Gegensatz dazu werden Wandler mitkapazitiverSpeicherung (kapazitiver Wandler) alsLadungspumpenbezeichnet. 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.

Geräte, die im Unterschied eine Gleich- in eineWechselspannungumwandeln, heißen dagegenWechselrichter,beide gehören zusammen mit weiteren Wandlerarten zur Gruppe derStromrichter.

Anwendungen

Gekapselter DC-DC-Wandler in Modulbauform für Leiterplattenbestückung

Gleichspannungswandler sind Bestandteil vonSchaltnetzteilen,mit denen Verbraucher wiePC-Netzteile,Notebooks,Mobiltelefone,Kleinmotoren,HiFi-Geräte u. v. m. betrieben werden. Die Vorteile gegenüberLinearnetzteilenliegen im besserenWirkungsgradund 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 einemlinearen Spannungsregleroder einemVorwiderstandhingegen wird die am Längswiderstand abfallende Leistung in Abwärme umgewandelt. Die beim Schaltnetzteil auftretendenSchaltverlustesind 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 genannteNetzrückwirkung) so gering wie möglich zu halten. Ein Beispiel ist die aktiveLeistungsfaktorkorrektur(PFC).

DC-DC-Wandler werden auch als vollständig gekapselte Wandlermodule angeboten, welche teilweise für die direkte Bestückung aufLeiterplattenvorgesehen 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 fürIsolationsspannungenvon 1,5kVbis 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 V fürDigitalschaltungenoder ±15 V für den Betrieb vonOperationsverstärkern.

Gleichspannungswandler und im historischen Bezug für hohe Ausgangsspannungen werden auchTransverterbezeichnet.Die Schaltung enthält einen Wechselrichter und einen Transformator mit nachfolgender Gleichrichtung. Beispiele sindakkumulatorbetriebeneElektronenblitzgeräteoder auch Gleichspannungswandler mit Potentialtrennung.

In der elektrischen Energietechnik undAntriebstechnikwerden Gleichstromwandler als Gleichstromsteller bezeichnet. Die Unterschiede betreffen primär den Einsatz und den Leistungsbereich. Als Schalter, im Bereich der Energietechnik auch alsVentilebezeichnet, kommen dabeiLeistungs-MOSFET,IGBTsundThyristorenzum Einsatz. Gleichstromsteller werden in diesem Anwendungsgebiet auch als Kombination in Form desZwei-oderVierquadrantenstellereingesetzt. In Anlehnung an diese Terminologie bezeichnet man den einfachen Gleichstromsteller als Einquadrantensteller.

Topologien (Grundschaltungen)

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 ParameterDin der Spalte Spannungsbereich spezifiziert den Pulsbreitenfaktor, welcher im Bereich von 0 bis 1 liegen kann. Die SpannungU_Eist die Eingangsspannung mit gültigen Bereich in Relation zur AusgangsspannungU_Aund dem Übersetzungsverhältnis.

Wandlertopologien ohne galvanische Trennung

Wandlertyp	Energieübertragende Bauelemente	q = UAusgang/UEingang	Prinzipschaltung
Ladungspumpe positiv	KondensatorC1	q > 1
Ladungspumpe negativ	Kondensator C1	q < 0
Abwärtswandler englisch Buck Converter	SpeicherdrosselL	q = 0…1, = D
Aufwärtswandler englisch Boost Converter	Speicherdrossel L	q ≥ 1, = 1 / (1 − D)
Inverswandler englisch Inverting Buck–Boost Converter	Speicherdrossel L	UA≤ 0, $U_{A}=-{\frac {D}{1-D}}\cdot U_{E}$
Synchronwandler	Speicherdrossel L	0 ≤ UA≤ UE, $U_{A}=D\cdot U_{E}$ Leistungsfluss- richtung wählbar
SEPIC-Wandler	Speicherdrosseln L1 + L2 Kondensator C1	UE> 0, $U_{A}={\frac {D}{1-D}}\cdot U_{E}$
Ćuk-Wandler	Speicherdrosseln L1 + L2 Kondensator C1	UE> 0, $U_{A}=-{\frac {D}{1-D}}\cdot U_{E}$
Zeta-Wandler	Speicherdrosseln L1 + L2 Kondensator C1	UE> 0, $U_{A}={\frac {D}{1-D}}\cdot U_{E}$
Doppelinverter	Speicherdrosseln L1 + L2 Kondensator C1	q = -D / (1 – D)
Split-Pi-Wandler englisch Boost–Buck Converter	Speicherdrosseln L1 + L2 Kondensator C2	beliebig, Leistungsfluss- richtung wählbar
Kaskadierter Ab-Aufwärtswandler englisch Buck-Boost Converter	Speicherdrossel L	beliebig, Leistungsfluss- richtung wählbar

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 imKern,welcher der Energiespeicherung dient.	< 250 W
Eintaktflusswandler englisch Forward Converter	Transformatorund zusätzliche Speicherdrossel	< 500 W
Gegentaktflusswandler unterteilt in • Halbbrückenflusswandler • Vollbrückenflusswandler englisch Push–pull Converter	Transformator	Halbbrücke: 0,1–2 kW Vollbrücke: > 300 W bis in den kW-Bereich
Resonanzwandler	Resonanzkreisbestehend aus KondensatorCRund DrosselLR, auch alsResonanztransformatorbezeichnet. Bei galvanischer Trennung mit zusätzlichen TransformatorTrerweitert.	einige 10 W bis in den kW-Bereich
Brückenloser-PFC-Wandler	Resonanzkreis bestehend aus zwei Kondensatoren und zwei magnetisch gekoppelten Drosseln und Übertrager.	einige 10 W bis in den unteren kW-Bereich

Resonanzwandler

Beispiel eines Resonanzwandlers kleiner Leistung. Der zur Energie-Übertragung genutzte Transformator ist gleichzeitig Teil des Schwingkreises.

Eine eigene Klasse stellen dieResonanzwandlerdar. Diese unterteilen sich in zwei große Gruppen:

• Für Leistungsanwendungen ab 1 kW aufwärts, mit dem Ziel die Verlustleistungen bei den Schaltvorgängen in den Schalttransistoren zu minimieren. Diese Resonanzwandler kommen in zwei Varianten vor, welche entweder immer nur im Nulldurchgang der Spannung oder immer nur im Nulldurchgang des Stroms geschaltet werden. Dabei bildet die leistungsübertragende Strecke inklusive des Transformators einenSchwingkreismit 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 alsInverterbezeichneten Stromversorgungen fürKaltkathodenröhrenundEnergiesparlampen.

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

Multiphasenwandler

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 vomDrehstrombekannt. Die Zahl der Phasen und Glieder ist nur auf die jeweilige Konstruktion begrenzt. Die Gruppenbildung dient der Leistungssteigerung und dem lückenlosen Stromfluss. Die Totpunkte des einzelnen Wandlers werden durch einen phasenverschoben betriebenen anderen der Gruppe ersetzt.

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

Burstmodus

Der Burstmodus ist eine Betriebsart mancher Wandler-Steuerschaltungen; er begründet allerdings keine eigene Topologie. Bei geringer Last folgt dabei einer kurzen Folge von Wandlerzyklen (demBurst) eine Pause, in der die Last ausschließlich aus dem Ausgangsfilterkondensator gespeist wird. Die Dauer der Pause ergibt sich daraus, wie schnell die Ausgangsspannung absinkt, mithin also durch die Größe der Last. Im Allgemeinen nimmt derWirkungsgradvon Gleichspannungswandlern mit abnehmender Last ab, da lastunabhängige Verluste dann stärker ins Gewicht fallen. Vorteil des Burstmodus ist ein höherer Wirkungsgrad bei geringen Lasten, da durch die Pausen den Verlusten zumindest teilweise entgegengewirkt wird. Nachteile sind eine mitunter schwieriger auszulegendeRegelungund u. U.hörbareStörgeräusche.

Bauelemente im Gleichspannungswandler

Kondensatoren

Gleichspannungswandler benötigen im Leistungsteil Kondensatoren mit niedrigemSerienwiderstand(ESR), um Verluste und Abwärme gering zu halten und ausreichender Spannungsreserve, um auftretende Spannungsspitzen zu vertragen. Es kommen dafür Low-ESR-Elektrolytkondensatorenwie auch in letzter Zeit vermehrtKeramikkondensatorenzum Einsatz. Zusätzlich kann der ESR durch Parallelschaltung mehrerer Kondensatoren reduziert werden.

Bei Gleichspannungswandlern aufHauptplatinenin der Nähe von größeren Verbrauchern wie demHauptprozessor(CPU) können inKeramikvielschicht-Chipkondensatoren(MLCC) auch hörbare Töne auftreten. Zufolge periodischer niederfrequenter Lastschwankungen undIntermodulationsproduktesind sie als Töne wie ein Pfeifen oder Zischen wahrnehmbar und von verschiedenen Einflüssen wie dem Aufbau des Gleichspannungswandlers und seinen Betriebsparametern abhängig.Die Ursache sind schwache und in diesem Fall unerwünschtepiezoelektrischeEffekte in den verwendeten Keramikwerkstoffen der Keramikkondensatoren, die zu mechanischen Schwingungen führen.

Literatur

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

Weblinks

• Skript(PDF; 679 kB), Gregor Schenke,FH OOW
• Jörg Rehrmann, das neue InterNetzteil- und Konverter-Handbuch