Topologien der DC/DC Wandler

Lesedauer: ca. 5 Minuten – In diesem ersten von insgesamt zwei Beiträgen über DC/DC Wandler erfahren Sie Wissenswertes über die unterschiedlichen Funktionsweisen und Topologien von Gleichspannungswandlern.

Gleichspannungswandler, auch DC/DC Wandler genannt, sind Bestandteil von vielen elektronischen Geräten oder sind zum Betrieb von nahezu allen elektrischen Produkten notwendig. Gleichspannungswandler sind elektrische Schaltungen, die in der Lage sind, eine am Eingang anliegende Spannung in eine niedrigere, eine höhere oder eine invertierte Ausgangsspannung zu konvertieren. Sie finden daher immer dann Anwendung, wenn eine zur Verfügung stehende Versorgungsspannung nicht zur Eingangsspannung der nachfolgend verwendeten Elektronikkomponenten passt. Dementsprechend viele verschiedene Ausführungen der DC/DC Wandler mit unterschiedlichen spezifischen Eigenschaften sind auf dem Markt verfügbar.

Funktionsweise der DC/DC Wandler

Die grundlegende Funktionsweise von einem DC/DC Wandler besteht darin, dass die am Eingang anliegende Gleichspannung durch Öffnen und Schließen eines Schaltelements, zum Beispiel eines Leistungstransistors, in eine rechteckige Wechselspannung transformiert wird. Durch eine anschließende Filterung, in der Regel mithilfe einer Kombination aus Induktivität und Kapazität, wird diese Wechselspannung wieder in eine Gleichspannung mit zum Eingang abweichendem Spannungsniveau zurückgewandelt. Der Pulsbreitenfaktor, definiert als die Division der Dauer von durchgesteuertem geteilt durch die Dauer von gesperrtem Leistungstransistor, regelt dabei das Verhältnis von Eingangs- zur Ausgangsspannung.

Die Platzierung der Reaktanzen, also der Induktivitäten und der Kapazitäten in der Schaltung, sowie der aktiven Bauelemente die als Schalter dienen, zum Beispiel Transistoren und Dioden, entscheidet über die Topologie der DC/DC Wandler.
Im Gegensatz zu einem linearen Spannungsregler, der wie ein elektronisch variierbarer Widerstand arbeitet, können DC/DC Wandler durch ihren schaltenden Betrieb und der nachfolgenden Filterung durch verlustarme reaktive Bauelemente einen deutlich besseren Wirkungsgrad erzielen.

Topologien der DC/DC Wandler

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen einem DC/DC Wandler mit und ohne galvanischer Trennung. Galvanisch getrennt bedeutet, dass Ein- und Ausgang des Gleichspannungswandlers durch nichtleitfähige Kopplungsglieder miteinander verbunden sind und somit eine Potentialtrennung vorliegt. Dies kann, je nach Anwendung, aus sicherheits- oder messtechnischen Gründen notwendig sein. Die galvanische Trennung durch einen Transformator oder eine gekoppelte Speicherdrossel bietet zusätzlich die Möglichkeit den Betrag sowie die Polarität der gewandelten Spannung relativ frei wählen zu können.

Beispiele für DC/DC Wandler Topologien ohne galvanische Trennung

– Der Abwärtswandler, oder auch Buck Converter genannt, nutzt zur Filterung der vom Schalttransistor zerhackten Rechteckspannung eine Speicherdrossel, wobei die Eingangsspannung größer oder gleich der Ausgangsspannung sein kann. Eine seiner grundsätzlichen Eigenschaften ist die Energieübertragung auf die Ausgangsseite während der Einschaltphase des Transistors.

– Der Aufwärtswandler oder Boost Converter nutzt auch eine Speicherdrossel zur Filterung, erzeugt aber eine in Bezug auf die Eingangsspannung höhere oder gleich hohe Ausgangsspannung. Er ist auch dadurch gekennzeichnet, dass die Energieübertragung in den Ausgang während der Ausschaltphase des Schaltelements geschieht.

– Der Inverswandler oder Buck-Boost Converter liefert, ebenfalls unter Zuhilfenahme einer Speicherdrossel, eine zur Eingangsspannung invertierte Ausgangsspannung, deren Betrag sowohl höher, als auch niedriger als die Eingangsspannung sein kann. Auch hier geschieht die Energieübertragung während der Ausschaltphase des Leistungsschalters.

Beispiele für DC/DC Wandler mit galvanischer Trennung

Sperrwandler oder Fly-Back Converter

– Der Sperrwandler oder Fly-Back Converter, welcher vom Inverswandler abgeleitet ist, findet vornehmlich in Applikationen mit einer Leistung kleiner 300 Watt Anwendung. Die Energieübertragung erfolgt über zwei gekoppelte Speicherdrosseln, die die galvanische Trennung gewährleisten.

Flusswandler oder Forward Converter

– Der Flusswandler oder Forward Converter, zugehörig zur Buck-Familie, überträgt die Energie mittels eines Transformators. Zur Filterung der Ausgangsspannung benötigt man bei dieser Topologie zusätzlich zum Transformator eine Speicherdrossel. Er findet typischerweise Anwendung in Leistungsbereichen kleiner 500 Watt. Je nach Anforderung kann hier zwischen Single-Transistor-Flusswandler mit einem Schalttransistor, oder dem Two-Transistor-Flusswandler mit zwei Schalttransistoren gewählt werden. Die Two-Transistor-Variante des Flusswandlers bietet den Vorteil einer besseren Nutzung des Transformators und kann typischerweise bis etwa 1 kW Leistung sinnvoll eingesetzt werden.

Gegentaktflusswandler oder Push-Pull-Converter

– Je nach Auslegung wird der Gegentaktflusswandler oder Push-Pull-Converter im Leistungsbereich zwischen 1 kW bis über 10 kW eingesetzt. Auch er ist der Buck-Familie zugehörig und benötigt ausgangsseitig eine Speicherdrossel zur Filterung. Die Energieübertragung erfolgt über einen Transformator. Hier kann unterschieden werden zwischen Halbbrücken-Gegentaktwandler mit zwei Transistoren, oder Vollbrücken-Gegentaktwandler mit vier Schalttransistoren. Der Unterschied dieser Schaltungsart zu den vorhergegangenen besteht darin, dass die Energieübertragung auf die Sekundärseite während allen Schaltphasen geschehen kann. Dies steigert die erreichbare Leistungsdichte enorm, auf Kosten einer höheren Schaltungskomplexität.

Resonanzwandler

Als Resonanzwandler kann man eine ganze Familie von Topologien bezeichnen, deren gemeinsame Eigenschaft es ist, die Energieübertragung mit Hilfe eines Reihen- oder Parallelschwingkreises zu bewerkstelligen. Ziel dieser Betriebsart ist es unter anderem, die Verlustleistungen beim Schalten der Leistungstransistoren, durch vermeiden von hohen Spannungen und/oder Strömen im Schaltmoment, zu reduzieren oder möglichst ganz zu umgehen. Ein weiterer Vorteil derartiger DC/DC Wandler ist die Möglichkeit, gestützt auf die Eigenschaften des resonanten Netzwerks, selbstschwingende Schaltungen zu entwerfen, die keine externe Steuer- oder Regelelektronik benötigen und dadurch kostengünstig und sehr einfach aufzubauen sind.

Verschiedene Resonanzwandler finden Anwendung in Applikationen mit unterschiedlichster Leistung, je nach Schaltung und Aufbau von wenigen Watt bis über 10 kW. Alle Topologien besitzen spezifische Eigenschaften, besondere Vorteile, jedoch auch immer Nachteile, und finden abhängig von den Anforderungen in der Praxis Verwendung. Die Herausforderung liegt darin, das man eingesetzte Topologie so wählt, dass ihre Eigenschaften ideal zur Anwendung passen und so die Anforderungen bestmöglich erfüllt werden können.

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