DC/DC-Wandler – Abwärts-, Aufwärts- und Trennwandler.

0. Inhalt dieses Artikels

• Warum das Tastverhältnis die Abwärts- und Aufwärtsspannung bestimmt.

• Der Unterschied zwischen nicht isolierten Abwärts-/Aufwärtswandlern und transformatorbasierten Flyback-, LLC- und DAB-Wandlern.

• Ein Design-Workflow, der Induktivitätswelligkeit, Wirkungsgrad, Wärmeentwicklung, Isolation und Sicherheit berücksichtigt.

1. Was ist ein DC/DC-Wandler?

Ein DC/DC-Wandler zerlegt Gleichstrom, speichert Energie in einer Induktivität oder einem Transformator und liefert eine andere Gleichspannung und einen anderen Gleichstrom. Im Gegensatz zu einem Widerstandsabfall tauscht er idealerweise Spannung gegen Strom aus und erhält dabei den größten Teil der Eingangsleistung. Ein realistisches Wirkungsgradbudget berücksichtigt Leitungs- und Schaltverluste, Magnetik, Steuerschaltungen und Standby-Leistung; Eingangs- und Ausgangsleistung können für die Auslegung nicht als gleich behandelt werden.

2. Abwärtswandler (Buck): Abwärtswandlung

Beim Einschalten leitet ein Abwärtswandler Eingangsenergie in die Induktivität; beim Ausschalten hält ein Freilaufpfad den Strom aufrecht. Im kontinuierlichen Leitbetrieb (CCM) gilt:

wobei D das Tastverhältnis, L die Induktivität und f_s die Schaltfrequenz ist. Dies ist ein stationäres Ergebnis für ideale Bauelemente im CCM-Betrieb mit geringer Ausgangswelligkeit; Spannungsabfälle durch die Schalter und der Gleichstromwiderstand der Induktivität werden vernachlässigt. Bei geringer Last geht der Wandler in den diskontinuierlichen Leitbetrieb über, und die Spannungskennlinie ändert sich selbst bei gleichem D. Die Designunterlagen von TI analysieren CCM und DCM ebenfalls separat.

Beispielrechnung: Umwandlung von 12 V auf 5 V bei 2 A

Annahme: Ein idealer Abwärtswandler im kontinuierlichen Leitbetrieb mit L=10\,\mu\mathrm{H} und f_s=500\,\mathrm{kHz}. Dann gelten D=5/12\simeq0.417 und \Delta I_L\simeq0.583\,\mathrm{A}. Bei einer Last von 2 A schwankt der Spulenstrom zwischen ca. 1,71 und 2,29 A. Wählen Sie die Sättigungs- und Strombegrenzungswerte anhand des Spitzenwerts, nicht nur anhand des Mittelwerts von 2 A.

Dieses verlustlose Beispiel veranschaulicht die Berechnung; es stellt keine Bauteilempfehlung dar. Prüfen Sie den ungünstigsten Eingangsfall, die Frequenztoleranz, Transienten und die Temperatur. Die Abschnitte 2–3 von TI SLVA477B stellen den Zusammenhang zwischen diesen Berechnungen und den Nennwerten her.

3. Aufwärtswandler: Spannungsanhebung und Regelungsherausforderung

Ein Aufwärtswandler speichert Energie während der Einschaltzeit und schaltet dann Eingang und Spule während der Ausschaltzeit in Reihe mit dem Ausgang.

Eine große D erhöht die ideale Spannung, aber die Schaltleistung, die Spulensättigung, die Dioden-Sperrverzögerung und die Regelungsbandbreite begrenzen die Realität. Ein Aufwärtswandler kann eine Nullstelle in der rechten Halbebene aufweisen; Ein einfacher Kompensator mit hoher Verstärkung kann ihn daher destabilisieren.

4. Grundlegende Architektur

Durchgezogene Pfeile führen Strom; gestrichelte Pfeile führen Messwerte und Gate-Befehle. Der PWM-Controller befindet sich nicht im Laststrompfad.

5. Isolierter Flyback-, LLC- und DAB-Wandler

Ein Flyback-Wandler speichert Energie in der Magnetisierungsinduktivität des Transformators und überträgt sie beim Abschalten auf die Sekundärseite. Er eignet sich für Netzteile mit geringer Leistung und Hilfsversorgungen, jedoch sind Streuinduktivitätsspitzen und Stromspitzen problematisch. Ein Vorwärtswandler überträgt Energie direkt während der Einschaltzeit und benötigt eine Rücksetz- oder Klemmschaltung.

Ein LLC-Resonanzwandler nutzt Streuinduktivität, Magnetisierungsinduktivität und einen Kondensator, um nahe Nullspannung bzw. Nullstrom zu schalten. Er ermöglicht hohe Frequenzen und Wirkungsgrade, jedoch wird die Steuerung außerhalb seines Eingangs- und Lastbereichs schwierig. Ein Dual Active Bridge (DAB) Sendet bidirektionale Leistung durch Phasenverschiebung zwischen zwei Vollbrücken, was für Batterieladegeräte und Gleichstromverteilung geeignet ist.

6. Restwelligkeit, Verluste und Wärme

Bei einem Abwärtswandler im CCM-Betrieb mit symmetrischem dreieckförmigem Spulenstrom kann die kapazitive Komponente der Ausgangsrestwelligkeit näherungsweise wie folgt berechnet werden:

Dieser Ausdruck für die Restwelligkeit darf nicht unverändert für den Aufwärts- oder DCM-Betrieb verwendet werden; er muss anhand der tatsächlichen Wellenform neu berechnet werden.

Eine Erhöhung der Kapazität C reduziert die kapazitive Restwelligkeit, kann aber die Größe und die Kosten erhöhen. Die Erwärmung durch den ESR hängt vom ESR und dem Restwelligkeitsstrom ab, nicht allein von der Kapazität. Eine höhere Schaltfrequenz f_s verringert die Restwelligkeit, erhöht aber die Schaltverluste und die EMV-Problematik. Kupferverluste I^2R und Kernverluste in Spulen, Transformatorleckströme und Dioden-Sperrverzögerung müssen unter demselben Lastprofil gemessen werden.

7. Topologievergleich

| Typ | Spannung / Isolation | Stärke | Überwachungspunkt |

--- | --- | --- | --- |

Abwärtswandler | Abwärtswandler, nicht isoliert | Hoher Wirkungsgrad, einfache Steuerung | Kann den Eingangswert nicht überschreiten |

Aufwärtswandler | Aufwärtswandler, nicht isoliert | PV- und Brennstoffzellen-Boost | Nullpunkt in der rechten Halbebene, Schaltspannung |

Abwärts-Aufwärtswandler | Aufwärts- oder Abwärtswandler, nicht isoliert | Breiter Eingangsspannungsbereich | Polarität und Stromwelligkeit |

Sperrwandler | Isoliert, Magnetisierungsenergie | Geringer Stromverbrauch, wenige Bauteile | Spitzen- und Spitzenstrom |

LLC-Regler | Isoliert, resonant | Hoher Wirkungsgrad und hohe Frequenz | Weitbereichssteuerung |

DAB-Regler | Isoliert, bidirektional | Laden von Elektrofahrzeugen, Gleichstromnetze | Ausgleichsstrom bei geringer Last |

8. Schwierige Bedingungen und Sicherheit

Eingangstransienten, Kurzschlüsse, Einschaltströme und Sättigung können den Regler an seine Grenzen bringen. Schichtweise Strombegrenzung, Über-/Unterspannungssperre, Sanftanlauf, Sicherungen, Isolation Überwachung und thermischer Schutz. Eine isolierte Schaltung muss die Anforderungen an Kriechstrecke, Luftstrecke, Transformatorfestigkeit und Kurzschlussenergie erfüllen.

9. Praktische Entscheidungen

• Batterie zu 12/48 V: Abwärtswandler oder verschachtelter Abwärtswandler, wenn der minimale Eingangsstrom den Ausgangsstrom übersteigt; Aufwärts-/Abwärtswandler, wenn der Eingangsstrom den Ausgangsstrom übersteigt, und Aufwärtswandler, wenn der Eingangsstrom unter dem Ausgangsstrom bleibt; Eingangsspannungsbereich, Dauerstrom, Einschwingverhalten und Induktortemperatur prüfen.

• PV- oder Brennstoffzelle zu DC-Zwischenkreis: Aufwärtswandler oder verschachtelter Aufwärtswandler; MPPT, Eingangswelligkeit und maximale Einschaltdauer bewerten.

• Netzteil: Sperrwandler für geringe Leistung oder LLC für höhere Leistung; Priorität haben Isolation, Standby-Leistung, EMV und Konformität.

• Schnellladung von Elektrofahrzeugen und DC-Verteilung: Bidirektionaler DAB-Wandler oder isolierte Mehrphasenschaltungen; Rückspeisung, Kurzschlussstromrichtung und Kühlung berücksichtigen.

10. Dreileitungs-Zusammenfassung

Ein DC/DC-Wandler wandelt Energie durch In, einen Transformator und C um, um die Spannung zu ändern. Die Gleichungen für Abwärts- und Aufwärtswandler sind nur die Der Eintrittspunkt für kontinuierliche Leitfähigkeit; Restwelligkeit, Modenübergänge, Kompensation und magnetische Verluste dominieren die Hardware. Isolation, Kurzschlussverhalten, Wärmeentwicklung und EMV-Schutz gewährleisten einen zuverlässigen Betrieb trotz idealer Effizienz.

Referenzen

• Texas Instruments Stromversorgungsdesign
• Infineon Leistungsumwandlung
• IEC 62368-1 Sicherheit
• IEEE Power Electronics Society