10. Resonanzwandler

[Beispiel aus dem "Das Netzteil- und Konverterhandbuch" von Jörg Rehrmann, 180 Seiten, DIN A4, 39,80 Euro, jetzt bestellen]

Beim Resonanzwandler handelt es sich nach Sperr- und Flußwandler um die dritte große Gruppe der primär getakteten Wandler mit galvanischer Trennung von Ein- und Ausgangsspannung. Resonanzwandler gibt es in Zahlreichen Varianten, auf die ich nicht alle eingehen will. Zunächst unterscheidet man nach dem Schaltzeitpunkt der Transistoren. Man versucht entweder im Spannungs- oder im Stromnulldurchgang zu schalten, damit die Schaltverluste möglichst gering sind und man deshalb selbst bei sehr hohen Leistungen noch wirtschaftlich mit hohen Schaltfrequenzen arbeiten kann. Je nachdem nennt man die Wandler ZVS (Zero Voltage Switching) oder ZCS (Zero Current Switching). In Bild 10 A ist die Grundschaltung eines solchen ZCS-Wandlers zu sehen. Zunächst wird mit einer Halbbrücke eine Rechteckspannung erzeugt. Am Ausgang befindet sich ein Serienschwingkreis Lr/Cr in dem der Eigentliche Trenntransformator Tr ebenfalls in Serie geschaltet ist. Der Trafo selbst arbeitet als Flußwandler, dessen Ausgangsspannung direkt gleichgerichtet und mit dem Ausgangselko Ca gesiebt wird. Den maximalen Ausgangsstrom liefert der Wandler, wenn der Rechteckgenerator genau auf die Resonanzfrequenz abgestimmt ist. Bei einem ausgangsseitigen Kurzschluß würde sich der Schwingkreis unkontrolliert aufschaukeln und den Rechteckgenerator mit einem sehr hohen Strom belasten bis dieser zerstört würde, sofern keine Schutzmaßnahmen getroffen würden. Die Dioden D 1 und D 2 begrenzen die Spannung am Schwingkreiskondensator Cr und führen überschüssige Energie wieder der Versorgungsspannung zurück. Die Spannungsbegrenzung an Cr bedeutet gleichzeitig auch eine Strombegrenzung im Kurzschlußfall. Der maximale Strom kann fließen, wenn die Spannung an Cr im Resonanzfall etwa gegenphasig zur Erregerspannung des Rechteckgenerators ist. Wenn die Bauteile diesen maximalen Strom dauerhaft vertragen, ist der Resonanzwandler prinzipiell Dauerkurzschlußfest. Dies ist ein großer Vorteil des Resonanzwandlers, denn die etwas schwierigere Strombegrenzung von Halbbrücken-Endstufen kann komplett entfallen. Wenn man die Dioden D 1 und D 2 wegläßt, ist trotzdem eine Strombegrenzung möglich. Durch eine genaue Justierung des Oszillators könnte man erreichen, daß die Resonanzfrequenz nie genau erreicht wird. Das hat allerdings den Nachteil, daß man die Endstufe durch unvorsichtige Einstellung leicht zerstören kann.

Bild 10 A: Grundschaltung eines ZCS-Resonanzwandlers

Die größte Leerlaufspannung am Trenntrafo kann theoretisch im Resonanzfall erreicht werden, wenn die Erregerspannung und die Spannung an Cr gegenphasig sind und +/- Ue am Trafo anliegen würde. Allerdings würde dann kein Strom fließen und die Spannung wäre nicht belastbar, ganz abgesehen davon, daß sie dann wegen des fehlenden Stromes in Cr auch garnicht erst entstehen könnte. Die kleinstmögliche Leerlaufspannung wird außerhalb der Resonanzfrequenz und/oder bei geringer Last erreicht, wenn an Cr und Lr keine nennenswerte Wechselspannung mehr anliegt. An der Primärspule des Trafos liegen dann +/- Ue/2 an. Damit der Wandler Leerlauffest ist, sollte also die primärseitige Nennspannung am Trafo nicht kleiner als etwa Ue/2 sein. Gleichzeitig erreicht der Wandler bei Ue/2 auch seine maximale Ausgangsleistung. Es ist also ratsam, den Wandler so zu dimensionieren, daß die primärseitige Trafospannung etwas weniger als +/-Ue/2 beträgt. Das bedeutet aber auch, daß der Resonanzwandler keinen sehr großen Eingangsspanungsbereich verträgt. Dieser Nachteil läßt sich bei Netzteilen z.B. durch Vorschalten einer Leistungsfaktorkorrektur beheben.

Wie man im Prinzipschaltbild sieht, liegt die Spule Lr in Serie zum Trenntrafo. Somit kann man Lr auch als Streuinduktivität des Trenntrafos auffassen. Das bedeutet einerseits, daß Lr entfallen könnte, wenn der Trafo eine genügend hohe Streuinduktivität hätte und andererseits braucht man beim Bau des Trafos auch nicht auf eine geringe Streuinduktivität achten, was eine gute Isolation zwischen Primär- und Sekundärspule erleichtert. Leider gibt es (noch) keine fertigen Ferritkernsätze für Streutrafos, sodaß die Trennung von Lr und dem Trafo weiterhin nötig sein dürfte. Eine andere Möglichkeit wäre es, auf den geschlossenen Trafokern ganz zu verzichten. Insbesondere bei hohen Schaltfrequenzen, könnte man sogar einen Trafo aus Luftspulen bauen, der dann aus Prinzip bereits eine hohe Streuinduktivität hätte. Ab welcher Frequenz ein Luftspulentrafo wirtschaftlich wird, läßt sich allerdings nicht so leicht sagen.

Um den Resonanzwandler herunterzuregeln, muß nur die Frequenz des Rechteckgenerators nach oben verstimmt werden. Nach unten ist ungünstiger, weil man bei einem Drittel der Resonanzfrequenz in die Oberwelle(n) der Oszillatorfrequenz hineingerät und vor allem, weil sich durch die nichtlinearen Verzerrungen, die die Dioden D 1 und D 2 verursachen, auch die Resonanzfrequenz des Schwingkreises nach unten verlagert. Für eine vernünftige Regelung müßte die Generatorfrequenz dann sehr weit nach unten verstimmt werden und würde u.U. sogar im hörbaren Bereich liegen, was meistens unerwünscht ist. Andererseits hat eine Herunteregelung der Generatorfrequenz den Vorteil, daß man die Resonanzfrequenz relativ hoch legen kann und die Generatorendstufe bei niedrigen Frequenzen besonders niedrige Schaltverluste produziert. Oft werden die Wandler mit konstanter Einschaltzeit betrieben. In diesem Fall würde die relative Einschaltdauer mit abnehmender Schaltfrequenz ebenfalls abnehmen und es wäre ein leichteres Herunterregeln des Wandlers durch niedrige Taktfrequenzen möglich. Allerdings ist dann die Ansteuerung der Transistoren etwas aufwendiger als bei einem einfachen Rechteckgenerator. Den Aufwand wird man treiben, wenn der Wirkungsgrad bei niedriger Last immer noch relativ gut sein soll. Das ist besonders bei hohen Leistungen im kW-Bereich interessant.

Prinzipiell wäre es auch möglich, den Wandler immer mit der Resonanzfrequenz zu betreiben und nur die Einschaltdauer zu variieren. Das Ganze wäre dann eine Art Gegentakt-Flußwandler mit passivem Überlastungsschutz. Man verzichtet dann aber auf den Vorteil der geringen Schaltverluste bei variabler Generatorfrequenz.

Ein weiterer Vorteil, den man auch nur bei variabler Generatorfrequenz optimal nutzen kann, ergibt sich aus der ZCS-Technik: Es treten in den Zuleitungen der Transistoren keine schnellen Stromänderungen auf. Das veringert nicht nur die EMV-Problematik sondern macht auch das Leiterbahn-Design wesentlich unkritischer.

Soll der Wandler ganz ohne Steuertrafo auskommen, bieten sich auch Gate-Treiber-ICs mit eingebautem Oszillator an. Wie man in Bild 10 E sehen kann, vereinfacht der IR 2153 die Schaltung erheblich. Der interne Oszillator funktioniert in gleicher Weise wie ein NE-555-Oszillator, weshalb auch die Frequenzsteuerung aus Bild 10 C übernommen werden kann.

Bild 10 E: 600-Watt-Resonanzwandler mit Gate-Treiber-IC IR 2153

Da der IR 2153 eine feste Totzeit von 1,2 µs hat, lassen sich keine allzu hohen Schaltfrequenzen realisieren. Die Resonanzfrequenz wurde daher auf ca. 50 kHz gelegt und kann bis auf ca. 150 kHz bei Minimallast steigen.

[Beispiel aus dem "Das Netzteil- und Konverterhandbuch" von Jörg Rehrmann, 180 Seiten, DIN A4, 39,80 Euro, jetzt bestellen]

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