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Linear Technology

Obwohl die Vergangenheit als ein Indikator für die Zukunft gelten kann, gibt es heute viele neue Herausforderungen, vor denen die Stromversorgungsunternehmen stehen, und die den Grundstein für noch deutlich höhere Preissteigerungsraten in den nächsten Jahren legen. Es gibt drei Hauptfaktoren, die die Preissteigerungsraten in den nächsten Jahren antreiben werden: Die erforderliche Investition in die Infrastruktur, die Auswirkungen der Verbundpreise und steigende Umweltauflagen. Die Kombination dieser Faktoren wird wahrscheinlich in einer Steigerung der Strompreise für Haushalte resultieren, mit dem Potenzial für weitere signifikante Preiserhöhungen in späteren Jahren.

Auf einen Blick

Die Art und Weise wie Solarzellen konfiguriert werden, ihre relative Größe und Anzahl der Zellen in einer großen Fläche resultiert in unterschiedlicher Spannung und unterschiedlicher verfügbarer Leistung. Diese großen Unterschiede können mehrfache Leistungsstufen nötig machen, um die gewünschte Ausgangsspannung und die maximale Leistung zu erzielen. Der IC LT8705 kann mit seinem weiten Eingangsspannungsbereich und vier Regelschleifen die Anzahl an erforderlichen Leistungsstufen reduzieren.

Investitionen in Infrastruktur hinken seit einiger Zeit den Preissteigerungen hinterher. Die Stromversorgungsindustrie ist einer der kapitalintensivsten Sektoren und Kapitalkosten, die mit der Verbesserung des Netzes zusammenhängen, bestimmen dabei stark den Verkaufspreis des Stroms. Um die Jahrzehntelangen fehlenden Investitionen zu kompensieren, haben die Stromversorger damit begonnen, wieder in ihre Kerninfrastruktur zu investieren und bauen neue Kraftwerke und das Versorgungsnetz aus, insbesondere die Hochspannungsübertragungsleitungen, Zwischenstationen und Verteilungssysteme, die den Strom in die Haushalte liefern. In den USA, so schätzt das Edison Electric Institute, werden bis 2030 die Stromversorgungsunternehmen zwischen 1,5 bis 2 Billionen US-Dollar für den Ausbau und die Verbesserung der Infrastruktur ausgeben werden müssen. Um das System zusätzlich smart zu machen indem Smart-Grid-Technik eingesetzt wird, um mit derzeitigen und erwarteten Umweltstandards überein zu stimmen, wird erwartet, dass noch einmal weitere 250 Milliarden US-Dollar nötig sein werden.

Die Auswirkungen der Verbundpreise beziehen sich auf die Notwendigkeit, die Strompreise schneller zu erhöhen als die Verluste durch verlorene Anwender, die alle zusammen das Netz verlassen und die Reduzierung des Verbrauchs in Kilowattstunden, da die Kunden immer energieeffizienter werden.

Steigende Umweltauflagen sind der dritte signifikante Faktor, der die Strompreise nach oben treibt. Die meisten Stromversorgungsunternehmen müssen bezüglich der Qualität des Abwassers und der Luftreinheit Umweltauflagen einhalten. Es gibt viele Beispiele, das diese Anforderungen auch unterstützt werden, aber sauberere Emissionen und bessere Umweltstandards haben einen hohen Preis. Wenn die Stromversorger mehrere Phasen mit reduzierten Emissionen durchlaufen, werden diese Kosten in der Rechnung der Kunden auftauchen und gleichmäßig auf alle Kunden am Netz verteilt.

Als Ergebnis kommen immer mehr Solarzellen auf Häuser, Schulen, Industriebauten, Parkhäuser und überall sonst, wo es eine freie Sicht auf die Sonne gibt. Solarfarmen werden an strategischen Punkten installiert, an denen das Klima der Erzeugung von Solarstrom förderlich ist. Obwohl die meisten erneuerbaren Energiesysteme als Ergänzung zum elektrischen Stromnetz der Stromversorgungsunternehmen gedacht sind, sind einige so ausgelegt, einschließlich neuer Projekte von solarbetriebenen Datenzentren, dass sie nur zu Back-up-Zwecken Strom aus dem Netz entnehmen.

Die Solarzellenanzahl, ihre Konfigurierung und ihre relative Größe ermöglichen eine Vielfalt an lieferbaren Spannungen und Energie. Diese großen Unterschiede können mehrfache Leistungsstufen erforderlich machen, um die gewünschte Ausgangsspannung und den maximalen Leistungspegel zu erreichen. Mehrfache Leistungsstufen bedeuten aber auch einen geringeren Wirkungsgrad und höhere Kosten. Es müssen also Verbesserungen in der Wandlung von der rohen Solarenergie zu einer festen geregelten Spannung gemacht werden, entweder um eine Batterie zu laden und/oder diese in eine Wechselspannung zu wandeln, die zurück in das Netz gespeist wird. Der kürzlich von Linear Technology auf den Markt gebrachte LT8705 löst viele der beschriebenen Probleme und stellt eine einfache Lösung zur Verfügung.

Eine neue Methode

Der LT8705 ist ein synchroner Auf-/Abwärts-DC/DC-Wandler mit hohem Wirkungsgrad (bis zu 98 Prozent), der mit Eingangsspannungen über, unter oder gleich der geregelten Ausgangsspannung arbeitet. Dieser Baustein besitzt vier Rückkoppelschleifen, um Eingangsstrom/-spannung zusammen mit Ausgangsstrom/-spannung zu regeln. Der Eingangsstrom und die Spannungsrückkoppelschleife können eine Überbelastung der Solarzellen verhindern. Die Ausgangsstromschleife liefert einen geregelten Ausgangsstrom für einen Batterieladebetrieb oder als Stromquelle. Der LT8705 arbeitet mit einem weiten Eingangsspannungsbereich zwischen 2,8 V und 80 V und liefert durch Einsatz einer einzigen Spule mit synchroner Vier-Schalter-Gleichrichtung eine Ausgangsspannung von 1,3 V bis 80 V. Eine Ausgangsleistung bis zu 250 W kann mit einem einzigen Baustein generiert werden. Eine höhere Ausgangsleistung wird erzielt, indem man mehrere Bausteine parallel schaltet. Der LT8705 hat eine proprietäre Stromsteuerungs-Architektur für den Betrieb mit konstanter Frequenz im Auf- oder Abwärtswandelbetrieb und besitzt leistungsstarke Vierfach-N-Kanal-MOSFET-Gate-Treiber auf dem Chip. Der Anwender kann wählen zwischen Forced-Continuous-, Discontinous- und Burst-Mode-Betrieb, um den Wirkungsgrad bei kleiner Last zu maximieren.

Bild 1: Blockdiagramm des LT8705, eingesetzt als Batterieladebaustein mit einem Solarzellen-Array.

Bild 1: Blockdiagramm des LT8705, eingesetzt als Batterieladebaustein mit einem Solarzellen-Array.Linear Technology

Weitere Eigenschaften sind Servo-Pins, die anzeigen, welche Rückkoppelschleifen aktiv sind, ein 3,3-V-/12-mA-LDO, um externe Bausteine zu versorgen, einstellbarer Soft-Start, Chip-Temperaturüberwachung und eine Betriebssperrschichttemperatur zwischen -40 und +125 °C. Der LT8705 ist in einem 5 mm x 7 mm großen QFN-Gehäuse mit 38 Pins oder einem TSSOP mit ebenfalls 38 Anschlüssen verfügbar. Ein LTspice-Schaltungsmodell für den LT8705 ist ebenfalls erhältlich und kann eingesetzt werden, um schnell und einfach alle Arten von kreativen Applikationen zu evaluieren.

Der LT8705 enthält vier Fehlerverstärker, die es ihm erlauben, Ausgangsstrom, Eingangsstrom, Eingangs- und Ausgangsspannung zu regeln oder zu begrenzen. In einer typischen Anwendung kann die Ausgangsspannung geregelt sein, während die Fehlerverstärker weiterhin auf einen zu hohen Ein- oder Ausgangsstrom oder eine Eingangsunterspannung überwachen. In anderen Applikationen, wie einem Batterielader, kann der Ausgangsstromregler das Laden mit konstantem Strom vereinfachen, bis eine vorher definierte Spannung erreicht wird, an der die Ausgangsspannungssteuerung einsetzt. Das Blockdiagramm in Bild 1 zeigt den Eingang von einem Solarzellen-Array, wobei der LT8705 als Batterieladebaustein verwendet wird.

Servo-Anzeigen

In dem in Bild 1 dargestellten Blockdiagramm, überwacht der LT8705 die Eingangsspannung der Solarzelle mit seinem integrierten Fehlerverstärker EA3, um sicherzustellen, dass sie nicht zusammenbricht. Er lädt auch vier in Reihe geschaltete Bleibatterien mit einer Konstantstromquelle, die den Fehlerverstärker EA1 verwendet. Obgleich der LT8705 vier Servo-Pins besitzt, zeigt dieses Beispiel aus Gründen der Übersichtlichkeit nur zwei davon. Die Stromquelle des Batterieladers wird vom LT8705 gesteuert, um einen 5-A-Ladestrom sicherzustellen, wie von der roten LED in Bild 1 angezeigt. Wenn die Spannung der Solarzelle jedoch unter einen vorbestimmten Wert abfällt, reduziert der LT8705 den Ladestrom, um zu verhindern, dass die Spannung der Solarzelle zusammenbricht. Die beiden anderen in dem Blockdiagramm nicht gezeigten Servo-Pins sind die Pins für den Eingangsstrom und die Ausgangsspannung. Alle diese Servo-Anzeigen sind sehr hilfreich wenn ein MPPT (maximum power point tracking) erforderlich ist.

Bild 2: Schaltbild des LT8705 für eine vollständige Batterieladeapplikation aus Solarzellen.

Bild 2: Schaltbild des LT8705 für eine vollständige Batterieladeapplikation aus Solarzellen.Linear Technology

Ein vollständiges Schaltbild des LT8705 ist in Bild 2 dargestellt. Er arbeitet hier an einem weiten 28-V- bis 72-V-Eingangsspannungsbereich, der groß genug ist, um die Eingangsspannung von der Solarzelle in dieser Anwendung abzudecken. Es gibt vier externe MOSFETs die es dieser Schaltung erlauben, als synchroner Auf-/Abwärtswandler eingesetzt zu werden und sind als Stromquellen konfiguriert, um vier in Reihe geschaltete Bleibatterien mit je 12 V Spannung zu laden.

Steuerung des Leistungsschalters

Bild 3: Vereinfachtes Diagramm der vier MOSFET-Schalter, die vom LT8705 getrieben werden.

Bild 3: Vereinfachtes Diagramm der vier MOSFET-Schalter, die vom LT8705 getrieben werden.Linear Technology

Bild 3 zeigt ein vereinfachtes Diagramm davon, wie die vier Leistungsschalter mit der Spule VIN verbunden sind. Wenn VIN wesentlich höher als VOUT ist, läuft der Baustein im Abwärts-Betrieb. In diesem ist M3 immer ausgeschaltet und M4 immer eingeschaltet, bis ein Rückstrom entdeckt wird, während er im Burst-Mode- oder Discontinuous-Betrieb ist. Am Beginn jedes Zyklus wird zuerst der synchrone Schalter M2 eingeschaltet und der Spulenstrom vom internen Verstärker gemessen. Eine Kompensierung der Flankensteigung wird zur gemessenen Spannung hinzugefügt, die dann mit einer Referenzspannung verglichen wird. Nachdem der gemessene Spulenstrom unter die Referenz abgefallen ist, wird Schalter M2 ausgeschaltet und M1 (synchroner Gleichrichter) für den restlichen Zyklus eingeschaltet. Die Schalter M1 und M2 wechseln sich ab, um sich wie ein typischer synchroner Abwärtswandler zu verhalten.

Wenn VIN und VOUT nahe aneinander kommen, sinkt der Arbeitstakt bis der minimale Arbeitstakt des Wandlers im Abwärtswandler-Betrieb erreicht ist und der Baustein in den Abwärts-/Aufwärtswandelbereich kommt und alle vier MOSFETs schalten.

Wenn VOUT wesentlich höher als VIN ist, dann läuft der Baustein im Aufwärtswandelmodus. In diesem Bereich ist M1 immer eingeschaltet und Schalter M2 immer ausgeschaltet. Zu Beginn jeden Zyklus wird zuerst Schalter M3 eingeschaltet und der Spulenstrom wird über einen internen Verstärker gemessen. Nachdem der gefühlte Spulenstrom über die Referenzspannung ansteigt, wird Schalter M3 abgeschaltet und Schalter M4 wird für den Rest des Zyklus eingeschaltet. Die Schalter M3 und M4 wechseln sich wieder ab, um sich wie ein typischer synchroner Aufwärtswandler zu verhalten.

Bidirektionaler Super-Kondensator-Lader

Der LT8705 kann auch als ein bidirektionaler Superkondensator-Ladebaustein konfiguriert werden, wie in der vereinfachten Schaltung in Bild 4 gezeigt. Diese Schaltung arbeitet an einer PCI-Backplane mit nominal 12 V Eingangsspannung. Wenn die Eingangsspannung vorhanden ist, fließt Leistung direkt zu den DC/DC-Wandlern der Systemlast und über eine Sperrdiode zur Superkondensator-Ladeschaltung des LT8705. Eine Bank aus sechs in Reihe geschalteten Superkondensatoren wird mit 1 A Ladestrom auf 15 V aufgeladen. Wenn der 12-V-PCI-Eingang der Backplane entfernt wird, arbeitet der LT8705 in umgekehrter Richtung und liefert die Energie aus dem Superkondensator an die 12-V-Lasten. Bis zu 6 A Strom können in diesem Modus geliefert werden.

Bild 4a/b: Vereinfachte bidirektionale LT8705-Schaltung als Backup-Schaltung für einen Superkondensator.

Bild 4a/b: Vereinfachte bidirektionale LT8705-Schaltung als Backup-Schaltung für einen Superkondensator.Linear Technology

Bild 4b

Bild 4bLinear Technology

Auf diese Weise ersetzt eine einzige bidirektionale Stromversorgung zwei traditionelle pulsbreitenmodulierte Versorgungen, was deutliche Einsparungen bezüglich Kosten und benötigter Bauteile mit sich bringt. Ein zusätzliches Routen beziehungsweise Management der Leistung ist nicht nötig, was die Anzahl benötigter Bauteile und Leistungsverluste reduziert, die durch diese zusätzlichen Schaltungen anfallen würden.

Fehlerbedingungen

Der LT8705 aktiviert unter bestimmten Betriebsbedingungen eine Fehlersequenz. Wenn eine dieser Bedingungen eintritt, wie ein Überstrom oder eine Überspannung, werden der interne Schalt- und Taktausgang deaktiviert. Gleichzeitig fängt eine Timeout-Sequenz dort an, wo die Softstart-Funktion erneut initialisiert werden muss. Wenn der Fehler bestehen bleibt, zum Beispiel während eines Überstroms, wird es der Softstart-Funktion nicht erlaubt, den Konverter wieder zu starten. Nachdem die Fehlerbedingung behoben ist und eine vordefinierte Timeout-Periode abgelaufen ist, wird der Wandler wieder aktiv mit einer Rate, die abhängig vom Wert des Kondensators ist der am Softstart-Pin am LT8705 angeschlossen ist. Die Timeout-Periode entlastet den Baustein und weitere nachfolgende Leistungskomponenten von elektrischem und thermischem Stress.