Richtige Anwendung von Leistungsdrosseln

Henry würde staunen

Leistungsdrosseln werden überwiegend in Schaltnetzteilen und Gleichspannungswandlern eingesetzt. Die Auswahl einer geeigneten Induktivität basiert auf benötigter Leistung, Ein- und Ausgangsspannung, Schaltfrequenz, Wirkungsgrad und verfügbarem Platz.

Es gibt unzählige aktive Bausteine rund um dieses Thema und noch mehr passive Komponenten. Bei der Auswahl spielen Verfügbarkeit, Qualität und Preis eine wichtige Rolle. Es folgt nun eine Übersicht der drei gebräuchlichsten DC/DC Wandler Topologien. Es sind unzählige Varianten vorgeschlagen und gebaut worden. Die Grundprinzipien bleiben aber stets erhalten.

Wandler Topologien
Bild 1 zeigt das Prinzip des Flusswandlers. Diese im englischen Sprachraum Buck Converter genannte Schaltung liefert immer, d. h. während beider Schaltzustände von T1, Energie zum Ausgang. Der Gleichstrom durch die Leistungsdrossel entspricht dem Ausgangsgleichstrom. Die Ausgangsspannung kann nicht größer sein als die Eingangsspannung. Ein N-Kanal MOSFET muss mit schwebendem Potential angesteuert werden. Die Diode D1 wird bei einigen Designs durch einen MOSFET ersetzt, um den Wirkungsgrad zu erhöhen, weil die Durchlass-Spannung eines MOSFET in der Regel deutlich unter der Schwellspannung der häufig benutzten Schottkydioden liegt. Man spricht in diesem Fall von Synchrongleichrichtung.
Bild 2 zeigt einen Sperrwandler. In der englischen Fachliteratur wird dieser Typ als Boost Converter bezeichnet und drückt damit aus, dass man Ausgangs-spannungen erzeugt, die höher sind als die Eingangsspannung. Energie wird nur während der Sperrphase von T1 zum Ausgang übertragen. Der Gleichstrom durch die Induktivität Lr ist abhängig vom Spannungsverhältnis zwischen Ein-gangsspannung und Ausgangsspannung, ist aber höher als der Ausgangsgleichstrom. T1 lässt sich wegen der auf Masse liegenden Source sehr einfach ansteuern. Die Diode D1 kann wie beim Flusswandler durch einen MOSFET ersetzt werden, um den Wirkungsgrad zu erhöhen. T1 wird durch einen Regelkreis angesteuert, der als Regelgröße die Ausgangsspannung Uo benutzt und als Stellwert fast immer ein PWM-Signal zur Ansteuerung des FET liefert.
Die im Bild 3 skizzierte Schaltung wird als Buck-Boost Converter bezeichnet. Es lassen sich mit diesem invertierenden Sperrwandler negative Spannungen erzeugen. Diese Schaltung zeigt bei der Realisierung einige Nachteile, sodass vermehrt Sepic oder Flyback Designs verwendet werden. Bei diesen Topologien sind dann allerdings mehrere Induktivitäten bzw. Transformatoren nötig.

Anforderungen an die Induktivitäten
UL wird bestimmt durch die Eingangsspannung Uein und die Ausgangsspannung Uaus. Der Zeitabschnitt ∆t ist vorgegeben durch die Taktfrequenz und durch eine Funktion von Uein und Uaus. Diese Überlegungen führen bei allen Topologien zu einer Gleichung für L, die folgende Struktur besitzt:

hier BildSPOERLE-Formel.tif

Wichtige Unbekannte in dieser Gleichung ist der Ripple-Strom DI. Als Startwert können 20 Prozent des Strommittelwertes der durch die Spule fließt gewählt werden. Wie man anhand der Gleichung sieht, ist der Wert der Induktivität nicht abhängig vom Gleichstrom der durch die Spule fließt.
Die totale Strombelastung der Spule ergibt sich aus dem Ausgangs-Laststrom und der Topologie. Der Spitzenstrom setzt sich zusammen aus dem Mittelwert des Gleichstroms IAVG und der Hälfte des Ripple-Stroms DI. Für die drei Grundschaltungen können die Werte aus Tabelle 1 als Anhaltspunkte eingesetzt werden (immer bezogen auf den Laststrom). Die Spule darf auch beim Strom-Spitzenwert nicht in die Sättigung geraten. Zusätzlich müssen die maximal auftretenden Ströme im Falle eines Kurzschlusses berücksichtigt werden. Sie können zur thermischen Zerstörung der Drossel führen. Achtung: Bei den Gleichungen aus Tabelle 1 sind weder Dioden- und Transistorspannungen noch Bauteilverluste berücksichtigt.
Die in den eingesetzten Induktivitäten entstehende Verlustleistung besteht aus zwei Komponenten: den Kupferverlusten und den Kernverlusten. Die Kupferverluste entstehen aufgrund des ohmschen Widerstandes des Wickeldrahtes. Mit zunehmendem Ripple-Strom steigen auch die Kupferverluste an, da ein größerer Ripple-Strom immer eine Zunahme des Strom-Effektivwertes bedeutet. Bei sehr hohen Taktfrequenzen kann der Skineffekt Wirkung zeigen, der durch Stromverdrängung die Kernzone des Wickeldrahtes nutzlos macht und zu einer Erhöhung des ohmschen Widerstandes und damit der Kupferverluste beiträgt.
Die Kernverluste bestehen aus Ummagnetisierungsverlusten und Wirbelstromverlusten. Dank des Einsatzes von Ferriten, welche weich-magnetisch sind, aber gegenüber Metallen einen sehr hohen elektrischen Widerstand haben, können die Kernverluste sehr gering gehalten werden.

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