Gleichspannungswandler

Ein Gleichspannungswandler, auch DC-DC-Wandler genannt, englisch DC-DC Converter, bezeichnet eine elektrische Schaltung, welche 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

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 überflüssige Leistung in Abwärme umgewandelt. Die beim Schaltnetzteil auftretenden Schaltverluste sind demgegenüber zu vernachlässigen.

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)

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 U_E ist die Eingangsspannung mit gültigen Bereich in Relation zur Ausgangsspannung U_A und dem Übersetzungsverhältnis.

Wandlertopologien ohne galvanische Trennung

Wandlertyp	Energieübertragende Bauelemente	Spannungsbereich	Vereinfachte Schaltung
Ladungspumpe positiv	Kondensator	UE > 0, UA > UE
Ladungspumpe negativ	Kondensator	UE > 0, UA < 0
Abwärtswandler (englisch Buck Converter)	Speicherdrossel	0 ≤ UA ≤ UE, $U_A = D \cdot U_E$
Aufwärtswandler (englisch Boost Converter)	Speicherdrossel	UA ≥ UE, $U_A = \frac{1}{1 - D} \cdot U_E$
Inverswandler (englisch Buck–Boost Converter)	Speicherdrossel	UA ≤ 0, $U_A = -\frac{D}{1 - D} \cdot U_E$
Synchronwandler	Speicherdrossel	Beliebig, je nach Betriebsart Leistungsflussrichtung wählbar
SEPIC-Wandler	Zwei Speicherdrosseln und Kondensator	UE > 0, $U_A = \frac{D}{1 - D} \cdot U_E$
Ćuk-Wandler	Zwei Speicherdrosseln und Kondensator	UE > 0, $U_A = -\frac{D}{1 - D} \cdot U_E$
Zeta-Wandler	Zwei Speicherdrosseln und Kondensator	UE > 0, $U_A = \frac{D}{1 - D} \cdot U_E$
Doppelinverter	Zwei Speicherdrosseln und Kondensator	UE > 0, $U_A = - \dfrac {D} {1 - D} \cdot U_E$
Split-Pi-Wandler (englisch Boost–Buck Converter)	Zwei Speicherdrosseln und Kondensator	Beliebig, Leistungsflussrichtung 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 im Kern, welcher der Energiespeicherung dient.	< 250 W
Eintaktflusswandler (englisch Forward Converter)	Transformator und zusätzliche Speicherdrossel	< 500 W
Gegentaktflusswandler (englisch Push–pull Converter) unterteilt in: Halbbrückenflusswandler 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. [1]	Einige 10 W bis in den kW-Bereich

Resonanzwandler

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

Hier werden jeweils innerhalb der obigen Konzepte (Topologien) mehrere Gruppen – bestehend aus jeweils einem Schalter mit zugeordneten Induktivitäten – parallel geschaltet, wobei jede Gruppe die Regelung eines Teilstromes übernimmt. Die Gruppenbildung dient der Leistungssteigerung.^[2]

Des Weiteren verbessert eine geschickte Abstimmung der Stufen untereinander die Leistungsaufteilung. Beispielsweise bei einer zweistufigen Realisierung regelt ein Schalter grob den Hauptanteil der Leistung, während der andere Regler für die Feinkorrektur zuständig ist. In fortgeschrittener Form werden auch unterschiedliche Schaltfequenzen und unterschiedliche Phasenlagen für die einzelnen Stufen verwendet. Das Konzept dient der Verfolgung unterschiedlicher Ziele wie

• Erhöhung der Stromlieferfähigkeit
• Minderung der Restwelligkeit (Ripple)
• Verkleinerung der benötigten Kapazitäten
• Verminderung der Störstrahlung durch niedrigere Schaltfrequenzen in der für die hohen Ströme zuständigen Stufe

Bauelemente im Gleichspannungswandler

Kondensatoren

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 eines kleineren Folienkondensators mit den Elektrolytkondensatoren erfolgen.

Literatur

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

Weblinks

• Skript, Gregor Schenke, FH OOW
• Jörg Rehrmann, das neue InterNetzteil- und Konverter-Handbuch

Einzelnachweise

1. ↑ Beschreibung von Resonanzwandlern
2. ↑ Microchip: Multiphase Synchronous Buck Converter (englisch). Seite 4 ff.