Digitales Schaltnetzteil

Bild 1: Ansicht des volldigitalen 2-kW-Netzteils Steval-ISA172V2. ST Microelectronics

Strenge Energiesparvorschriften machen die umweltfreundliche Leistungswandlung mittlerweile zu einer echten Herausforderung. Insbesondere die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom für Telekommunikationssysteme verlangt nach einem hohen Wirkungsgrad nicht nur über den gesamten Lastbereich, sondern auch für alle denkbaren Netzspannungen. Verschärft werden die Herausforderungen durch die Nachfrage nach immer effizienteren und kompakteren Lösungen. Dies hat dazu geführt, dass man anstelle herkömmlicher Lösungen auf Basis analoger ICs immer mehr auf digitale Konzepte setzt. Konventionelle Lösungen basieren auf einer als Aufwärtswandler implementierten Leistungsfaktor-Korrekturstufe (Power Factor Correction – PFC) und einer Regelungsstufe, die beide mit analogen PWM-Controllern bestückt sind. Die digitale Lösung nutzt stattdessen Mikrocontroller zur Regelung der PFC- und der DC/DC-Stufe. Dieses Konzept wird zunehmend für Leistungselektronik-Systeme mit hoher Leistungsdichte und hohem Wirkungsgrad verwendet, die nach einer hochflexiblen Regelung verlangen. Aufgrund der wachsenden Komplexität der Hochleistungs-Schaltnetzteile gestaltet sich das Design auf Basis der traditionellen analogen Techniken schwierig. Ein digitales Konzept sorgt nicht nur für mehr Effizienz, sondern ermöglicht auch die Implementierung von mehr Funktionen und Überwachungs-Features.

Ein digitales Schaltnetzteil bietet mehrere Vorteile:

• Programmierungs-Flexibilität: Es besteht die Möglichkeit, die Regelungslogik zu aktualisieren und zu verbessern und den Betriebspunkt umgehend zu ändern. Außerdem kann die Regelung einfach und ohne Hardware-Modifikationen abgestimmt werden.
• Integration von Kommunikationsfunktionen und Regelalgorithmus in ein einziges IC: Fortlaufende Überwachung und Meldung des Systemzustands mithilfe von Standardprotokollen (PMBUS/SMBUS, CAN, Profibus, Ethernet) und intelligenter Fehlerschutz.
• Möglichkeit zur Realisierung einer grafischen Benutzeroberfläche (GUI).
• Komplexe Funktionalität: Regelung mit nichtlinearen oder multiplen Variablen, programmierbare Inrush-Regelung und Softstart-Funktion.

Das Blockschaltbild der Lösung in Bild 2 zeigt, dass das System aus zwei Leistungsstufen besteht, die jeweils von einem eigenen Mikrocontroller des Typs STM32F334C8 gesteuert werden. Neben einer eingangsseitigen, im Interleaved-Betrieb arbeitenden PFC-Stufe gibt es eine ausgangsseitige Regelungsstufe, implementiert mit einer phasenversetzt arbeitenden Vollbrücken-Schaltung mit Zero-Voltage-Switching (ZVS), PWM und Synchrongleichrichtung.

Die PFC-Stufe besteht aus zwei Aufwärtswandlern, die durch zwei um 180° phasenversetzte PWM-Signale mit 60 kHz angesteuert werden. Erzeugt werden diese Signale von einer hochentwickelten Peripheriefunktion des Mikrocontrollers, nämlich vom eigens für das Ansteuern von Leistungswandler-Systemen ausgelegten HRTIM (High-Resolution Timer). Die Gleichspannungswandler-Stufe übernimmt die Umwandlung der eingangsseitigen 400 V in 48 V am Ausgang. Dies geschieht mit einer Vollbrücken-Schaltung und einem HF-Übertrager, dessen Windungsverhältnis so gewählt wird, dass über den gesamten Betriebsbereich hinweg ein hoher Wirkungsgrad und gute Regelungseigenschaften erzielt werden. An den Übertrager gelangt eine Spannung, deren Mittelwert von der Phasenverschiebung zwischen den 100-kHz-PWM-Signalen der primärseitigen aktiven Schalter abhängt. Die sekundärseitige Spannung wird gleichgerichtet und anschließend vom Ausgangsfilter geglättet. Durch das Schalten im Spannungs-Nulldurchgang verringern sich die primärseitigen Verluste, während die auf der Sekundärseite verwendete Synchrongleichrichtung für geringe Leitungsverluste bürgt. Die bidirektionale Kommunikation zwischen Primär- und Sekundärseite erfolgt seriell per Optokoppler.

PFC-Stufe im Interleaved-Betrieb

Aus einem Brückengleichrichter und zwei Boost-Wandlern besteht die PFC-Stufe. Die Ströme in den beiden Leistungs-Bausteinen werden gemessen und dem ADC des Mikrocontrollers STM32F334C8 zugeführt. Alternativ kommt die Mittelwertregelung mit dem Signal eines Shuntwiderstands in Frage.

Welche Leistungshalbleiter gewählt werden, hat grundlegende Auswirkungen darauf, ob die Effizienzanforderungen der Applikation erfüllt werden können. Als PFC-Schalter wurden zwei N-Kanal-Leistungs-MOSFETs des Typs STW56N60M2-4 gewählt. Angesteuert durch den Gatetreiber PM8834, zeichnen sich diese Bausteine durch eine minimale Durchbruchspannung von 650 V und einen maximalen R_DS(on) von 45 mΩ bei 25 °C aus. Die Gesamt-Gateladung beträgt 91 nC bei 52 A und V_DD = 480 V. Dank des 4-PIN-TO247-Gehäuses mit Kelvin-Source, lassen sich die Schaltverluste reduzieren, speziell bei großer Leistung und hohem Strom.

Bild 2: Blockschaltbild des 2-kW-Netzteils Steval-ISA172V2. ST Microelectronics

Da als Boost-Dioden die zur zweiten SiC-Generation von ST gehörenden Bauelemente des Typs STPSC1006 eingesetzt werden, ist das Verhalten dieser Dioden nahezu ideal, mit einer vernachlässigbar kurzen Sperrverzögerungszeit, einer geringeren Vorwärtsspannung und einer hohen Betriebstemperatur von 175 °C.

Der Regelungsalgorithmus

Bild 3: Effizienz der PFC-Stufe bei 120 V und 230 V. ST Microelectronics

Der Regelungsalgorithmus der Interleaved-PFC-Stufe ist für den zur STM32-Familie gehörenden 32-Bit-Mikrocontroller STM32F334C8 ausgelegt. Dieser Baustein enthält zwei unabhängige, schnelle 12-Bit-ADCs, drei äußerst schnelle Komparatoren und den hochauflösenden Timer HRTIM.

Es sind zwei verschiedene Regelkreise vorhanden. Der äußere Spannungsregelkreis arbeitet mit dem Doppelten der Netzfrequenz (also mit 100 oder 120 Hz), regelt die Zwischenkreisspannung auf den Sollwert von 400 V und stellt damit die richtige Stromreferenz ein. Hinzu kommt ein innerer Stromregelkreis. Dieser arbeitet mit 60 kHz und minimiert die Abweichung zwischen dem durchschnittlichen Spulenstrom und dessen sinusförmiger Referenz, die phasengleich mit der Netzspannung ist.

Bild 4: Leistungsfaktor bei 120 V und 230 V. ST Microelectronics

Amplitude und Phase der Netzspannung tastet das PLL-Signal ab. Der elektrische Phasenwinkel dient zum Rekonstruieren der sinusförmigen Eingangsstrom-Referenz. Dank der Phasengleichheit mit der Eingangsspannung wird unabhängig von Verzerrungen der Eingangsspannung ein maximaler Leistungsfaktor erreicht. Nicht nur im nicht-lückenden Betrieb (Continuous Conduction Mode – CCM) funktioniert die PFC-Stufe einwandfrei, sondern auch wenn der Wandler im lückenden Betrieb (Discontinuous Conduction Mode – DCM) arbeitet, weil die Last gering ist oder sich die Netzspannung nahe dem Nulldurchgang befindet (infolge der Störgrößenaufschaltung). Die Störgrößenaufschaltung dient dazu, den Oberwellengehalt zu verringern und das Einschwingverhalten zu verbessern, indem die von Änderungen der Eingangsspannung verursachten Überschwinger der Ausgangsspannung reduziert werden. Falls notwendig kann der Regelungsalgorithmus den Referenzstrom verschieben, um Abtastverzögerungen zu kompensieren oder einen Leistungsfaktor nahe eins zu erreichen.

Versuchsergebnisse

Gemessen wurde der Wirkungsgrad des Systems bei verschiedenen Eingangsspannungen, insbesondere bei 120 V und 60 Hz sowie 230 V und 50 Hz. Die Leistungsaufnahme der Hilfsstromversorgung ist nicht im PFC-Teil enthalten, sie wurde ebenso wie der Stromverbrauch des Lüfters bei den Effizienzmessungen der DC/DC-Stufe berücksichtigt. Bilder 3, 4 und 5 geben Auskunft über den PFC-Wirkungsgrad, den Leistungsfaktor und die Strom- und Spannungskurven.

Der Gleichspannungswandler-Teil

Bei dem verwendeten Gleichspannungswandler handelt es sich um einen phasenversetzt arbeitenden Vollbrücken-Abwärtswandler, angesteuert mit phasenversetzten Modulationssignalen und ausgestattet mit einer Push-Pull-Ausgangsstufe. Aufgabe des Gleichspannungswandlers ist es, die 400 V der Ausgangsspannung der PFC-Stufe in 48 V zu verwandeln und mit einem HF-Übertrager für die galvanische Isolation zwischen Ein- und Ausgang zu sorgen. Die verwendete Modulation dient für das Schalten im Nulldurchgang und zur Minimierung der Einschaltverluste gegenüber der klassischen PWM-Technik, die durch harte Schaltvorgänge und erhebliche Verluste gekennzeichnet ist. Dank der genannten Eigenschaften eignet sich der phasenversetzte Vollbrücken-Wandler für Anwendungen mit hoher Leistung und hoher Schaltfrequenz.

Bild 5: Eingangsstrom und -spannung bei 120 V AC und 60 Hz bei 50 % der Höchstlast. ST Microelectronics

Jeder Zweig des Wandlers ist mit Bausteinen des neuen Typs STW35N60DM2 ausgestattet. Es handelt sich dabei um einen 600-V-N-Kanal-Leistungs-MOSFET in MDmesh-DM2-Technologie. Der Baustein enthält eine Body-Diode mit sehr geringer Sperrverzögerungsladung (Q_rr) und -zeit (t_rr) und bietet einen geringen R_DS(on) sowie einen niedrigen C_oss-Wert. Er eignet sich deshalb für anspruchsvollste hocheffiziente Wandler und ist prädestiniert für Brücken-Topologien und phasenversetzt im Nulldurchgang schaltende Wandler. Jeder Zweig der Vollbrücke wird mit zwei komplementären 100-kHz-PWM-Signalen mit 50 % Tastverhältnis angesteuert. Die Signale werden von dem hochauflösenden Timer mithilfe des Gatetreibers PM8834 und zweier Impulsübertrager erzeugt. Die Modulation ist mithilfe eines weiteren Mikrocontrollers vom Typ STM32F334C8 implementiert, indem die Phase der beiden Rechtecksignale für den nacheilenden Zweig gegenüber dem voreilenden Zweig verzögert wird. Da dies seitens des HRTIM mit einer Auflösung von 217 ps geschieht, ist eine sehr präzise Regelung der Ausgangsspannung gewährleistet.

Synchrongleichrichtung

Bild 6: Signalverläufe der aktiven Klemmschaltung. ST Microelectronics

Eine Synchrongleichrichtung ist das Mittel der Wahl, wenn man den Wirkungsgrad des DC/DC-Wandlers weiter verbessern möchte. Übliche ausgangsseitige Dioden werden hierzu durch Strip-FET- Leistungs-N-Kanal-MOSFETs vom Typ STW75NF20 (200 V, 75 A, typisch 0,028 Ω) im TO-247-Gehäuse ersetzt. Ihre Ansteuerung erfolgt mit demselben STM32F334C8-Mikrocontroller, der auch für die phasenversetzte Modulation verwendet wird, sowie mit einem weiteren Gatetreiber des Typs PM8834. Damit es in den Synchrongleichrichter-MOSFETs zu keinen Querströmen kommt, muss eine Verzögerungszeit vorgesehen werden, nachdem die Diode leitend wird, bis der Befehl an das MOSFET-Gate gegeben wird. Wichtig ist es, die Verzögerungszeit, die bei den steigenden und fallenden Flanken der beiden Schalter unterschiedlich sein kann, zu optimieren, damit sich die Leitphasen der Diode minimiert und ein größtmöglicher Wirkungsgrad erreicht wird.

Aktive Klemmung

Wegen der Energie, die infolge der Streuinduktivität des Übertragers und der Sperrverzögerungsladung der Diode gespeichert wird, können die Synchrongleichrichtungs-MOSFETs der Ausgangsstufe mit sehr hohen Spannungsspitzen konfrontiert werden. Eine RCD-Snubberschaltung könnte an einem Wandler dieses Typs unter Umständen nicht ausreichen, um diese Überspannungen hinreichend zu klemmen. Darüber hinaus würde eine RCD-Schaltung für zusätzliche Wärmeentwicklung sorgen und den Gesamtwirkungsgrad beeinträchtigen. Das Evaluation-Board Steval-ISA172V2 ist deshalb mit zwei aktiven Klemmschaltungen ausgestattet, die vom sekundärseitigen STM32F334C8-Mikrocontroller so angesteuert werden, dass die Energie direkt an die Ausgänge geleitet wird, um dissipative Verluste zu vermeiden und einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen.

Bild 7: Wirkungsgrad des DC/DC-Wandlers als Funktion der Ausgangsleistung. ST Microelectronics

Die besagten Überspannungen können die Durchbruchspannung der Halbleiterbausteine übersteigen, sodass es erforderlich ist, diese entsprechend zu schützen. Beim Abschalten des Bausteins wird die entstehende Überspannung durch die Ladung am Klemmkondensator geklemmt. Anschließend wird dieser Kondensator durch eine aktive, als Buck-Wandler arbeitende Resonanzschaltung entladen. Diese enthält zwei MDmesh-DM2-N-Kanal-Leistungs-MOSFETs des Typs STP24N60DM2 (600 V, 0,175 Ω) im TO-220-Gehäuse, die durch einen zweikanaligen Low-Side-MOSFET-Treiber des Typs PM8834 angesteuert werden.

Bild 6 zeigt die Spannung am Synchrongleichrichter-MOSFET (gelb), die Spannung des zum Abfangen von Spannungsspitzen dienenden Klemmkondensators (rot) sowie die Spannung (blau) und den Strom (grün) an der Buck-Induktivität.

Wirkungsgrad des DC/DC-Wandlers

Bild 8: Gesamtwirkungsgrad des kompletten Systems. ST Microelectronics

Die Wirkungsgradkurve des DC/DC-Wandlers ist in Bild 7 dargestellt. Wie man sieht, wird bei Ausgangsleistungen zwischen 650 W und 1300 W ein Wirkungsgrad von über 94 % erreicht. Mit einer auf Dauerstrom eingestellten elektronischen Last wurde der Gesamtwirkungsgrad des Steval-ISA172V2 (Bild 7) bei unterschiedlichen Lasten gemessen. Die Messung der Eingangs- und der Ausgangsspannung sowie des Ausgangsstroms erfolgte unmittelbar an den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen des Boards. Bei einer Eingangsspannung von 230 V_AC und 1000 W Ausgangsleistung beträgt der Gesamtwirkungsgrad des kompletten Systems (siehe Bild 8) nahezu 92 %.

(ah)