Stromversorgungen in komplexen elektronischen Geräten haben sich innerhalb weniger Jahre rasant weiterentwickelt. Computer und andere Systeme, die auf der Basis moderner Mikroprozessoren, digitaler Signalprozessoren oder anderer ICs aufgebaut sind, haben gemeinsame Eigenschaften. Ganz oben steht aus Sicht der Stromversorgungsentwickler der Trend zu sinkenden Versorgungsspannungen mit steigenden Strömen für die kompakt aufgebauten Verbraucher oder Einschubkarten. Der traditionelle Aufbau mit zentralen Stromversorgungen, deren Ausgangsspannungen durch das System bis zu den Verbrauchern geführt wurden, hat ausgedient. Ströme von zehn bis hin zu über hundert Ampere lassen sich nicht mehr auf diese Art verteilen. Selbst mit niedrigen Verlusten auf den Leitungen war der Spannungsabfall zu hoch für die gestiegene Anforderung an die maximal zulässige Toleranz der Versorgungsspannung von Seiten der Bauelemente.
VI Chips im Überblick.Vicor
Gleichzeitig mit dem durch die Einführung der Submikron-Prozesstechnologie geforderten Wechsel der Versorgungsspannung von 5 auf 3,3 und dann auf 1,8 V machte auch der Fortschritt im Leistungshalbleiterbereich den Aufbau kompakter getakteter DC/DC -Wandler mit hohem Wirkungsgrad möglich. Daraus resultierend ließen sich Distributed-Power-Architekturen (DPA) designen, bei denen eine Busspannung von 48 V zu verschiedenen Verbrauchern geführt wird. Dort lassen sich dann mit weiteren Wandlern die entsprechenden Versorgungsspannungen erzeugen. Vicor brachte die geeigneten Wandler für Distributed-Power, Intermediate-Bus (IBA) und Factorized-Power-Architekuren (FPA) auf den Markt. Diese stehen nicht im Mittelpunkt des Beitrags. Allerdings ist hier zur Kenntnis zu nehmen, dass in einem FPA-System eine fundamentale Änderung eintrat, weil die verschiedenen Schlüsselfunktionen eines Wandlers auf unterschiedliche Stellen verteilt wurden. Das ist wichtig, um die Rolle einer Wandlerarchitektur mit hohem Wirkungsgrad zu verstehen: der Sine-Amplitude-Conversion (SAC).
In einer Leistungsverteilung basierend auf FPA, wie Bild 1 zeigt, findet die Regelung statt, das heißt, die Stabilisierung der Versorgungsspannung unter verschiedenen Last- und Eingangsbedingungen, im Bereich der Zwischenkreisspannung. Die Isolation und Herabsetzung auf die eigentliche Versorgungsspannung erfolgt in einem modernen Modul, dem so genannten Voltage-Transformation-Modul (VTM). Dessen Funktion lässt sich auch als Strommultiplikation bezeichnen, weil das VTM quasi als Gleichspannungstransformator mit einem festen Übersetzungsverhältnis arbeitet.
Parallel zur Evolution der Architekturen für die Leistungsverteilung und zugleich auch als Katalysator für diese Weiterentwicklung dienend, erhöhten sich Wirkungsgrad und Leistungsdichte der DC/DC-Wandler. Anfangs wurde die DC-Eingangsspannung hart geschaltet und die dadurch entstehende rechteckförmige Wechselspannung an die Primärseite eines Übertragers angelegt. Die Spannung an der Sekundärseite wurde gleichgerichtet, um die benötigte Versorgungsspannung zu erhalten. Diese schnellen und mit hohen Stromänderungen versehenen Kurvenformen enthielten auch große Oberwellenanteile, die entsprechend gefiltert werden mussten. Gleichzeitig durften die in den Leistungsbauelementen entstehenden Schalt- und Leitungsverluste nicht vernachlässigt werden.
Schalt- und Durchlassverluste minimieren
Mögliche Lösung: eine Topologie, bei der Leistungshalbleiter zu dem Zeitpunkt geschaltet werden, an dem Strom und Spannung den Nulldurchgang haben (Bild 2). Ein Resonanzkreis auf der Primärseite, bestehend aus einem zusätzlichen Kondensator und der Übertragerwicklung, ermöglicht eine quasi sinusförmige Kurvenform. Minimierte Schaltverluste und neue Transistoren sorgten gleichzeitig für weniger Durchlassverluste. Die Kurven verliefen auf der Primärseite fast sinusförmig und die Oberwellen ließen sich dadurch nahezu beseitigen. Ein wichtiger Punkt bei dieser Schaltung ist die Tatsache, dass mit jedem Schaltvorgang auf der Primärseite eine gewisse Menge Energie auf die Sekundärseite übertragen wird. Ist auf der Sekundärseite mehr Energie notwendig, muss der Regelkreis die Taktfrequenz auf der Primärseite erhöhen. Das heißt, die prinzipielle Regelung erfolgt durch die Anzahl der Schaltvorgänge pro Zeiteinheit.
Der nächste Schritt in dieser Entwicklung war der Sine-Amplitude-Converter (SAC). Auch hier erfolgen die Schaltvorgänge beim Nulldurchgang von Spannung und Strom, also das so genannte Zero Voltage beziehungsweise Zero Current Switching (ZVS/ZCS), und daher bei nahezu idealen Voraussetzungen. Die Funktionsweise ist jedoch völlig unterschiedlich, wie Bild 3 verdeutlicht. Das Herz des Wandlers bildet der Übertrager T1. Eine in diesem Fall komplett sinusförmige Spannung wird an die Primärseite angelegt, wobei die Streuinduktivität des Übertragers und der Kondensator zwischen den Wicklungen den Resonanzkreis bilden. Der Übertrager T2 besitzt mehrere Wicklungen und dient als Steuer- und Kontrollelement, das die entsprechenden Signale an die Leistungschalter im Primärkreis und die Synchrongleichrichter im Sekundärkreis liefert. Damit ist ein Schalten an den entsprechenden Nulldurchgangspunkten der Kurvenform gewährleistet.
Den Übertrager betrachten
Wie oben erwähnt, handelt es sich um eine sinusförmige, ständig oszillierende Schwingung mit konstanter Frequenz. Die Reaktion auf eine Laständerung erfolgt über einen anderen Mechanismus als in der vorherigen Schaltung. Mit steigender Last erhöht sich die Amplitude der Schwingung auf der Primärseite und es wird mehr Energie auf die Sekundärseite übertragen, wobei das feste Übersetzungsverhältnis von Primär- auf Sekundärseite beibehalten wird. Der Vergleich mit einem AC-Übertrager ist hier hilfreich, solange man die grundsätzlichen Unterschiede der Schaltungen im Auge behält. Das Produkt von Spannung und Strom an Eingang und Ausgang ist identisch, abgesehen von den Verlusten. Diese sind verhältnismäßig klein, weil moderne Halbleiter mit niedrigsten Durchlassverlusten zum Einsatz kommen und alle Schaltvorgänge jeweils bei den Nulldurchgängen erfolgen. Es lassen sich Wirkungsgrade von 98 bis zu 99 % erzielt. Daraus resultieren wiederum hohe Leistungsdichten und bessere Entwärmung. Durch die sinusförmigen Strom- und Spannungsverläufe und damit einhergehende vernachlässigbare Schaltflanken ergeben sich minimale Oberwellen sowohl im leitungsgebundenen als auch abgestrahlten Spektrum.
Darüber hinaus gibt es weitere Details zu dieser Schaltung, die aus Bild 3 nicht hervorgehen. So müssen beispielsweise die von dem Übertrager erzeugten Ansteuerspannungen der Leistungshalbleiter exakte Kurvenformen besitzen. Zudem sollte der Entwickler die Schaltung so designen, dass sie unter allen Lastbedingungen anläuft. Wie bei allen modernen Leistungstopologien müssen die Eigenschaften der primär- und sekundärseitigen Bauelemente mit all ihren parasitären Effekten verstanden und in die Modelle mit einbezogen werden, weil sie integrierte Bestandteile der kompletten Schaltung darstellen.
Bob Marchetti
(eck)
