Moderne DC/DC-Wandler (Power Supply Unit, PSU) wie der ACR350 (Bild 1) weisen neben einem hohen Wirkungsgrad und einer kompakten Bauform auch geringe Pufferkapazitäten an den Eingängen der Versorgungsspannung auf. Die Wandler haben aufgrund der hohen Schaltfrequenzen schlanke Zwischenkreise mit Kapazitätswerten im Mikrofarad-Bereich. Die Störfestigkeits-Grundnorm EN61000-4-5 fordert aber eine Prüfung und den Beweis der Robustheit der Stromversorgung gegen Stoßspannung (Surge) aus dem versorgenden Netz. Die Stoßspannungsamplituden liegen dabei zwischen 0,5 bis 6 kV.
Auf einen Blick
Der Surge-Generator kann in Verbindung mit der Eingangsimpedanz und der geringen Eingangskapazität des Wandlers zu Schwingungen führen. Folge: Die Stromversorgung lässt sich nicht mit ihm betreiben. Eine Vaiante zur unangetasteten Prüfung ist, einen Dämpfwiderstand in die positive Zuleitung vor dem Surge-Generator einzufügen. Damit lässt sich der negative Impedanzverlauf des Wandlers zum großen Teil kompensieren.
Der für die Prüfung verwendete Surge-Generator weist sehr große, interne Entkoppel-Induktivitäten auf, die in Verbindung mit der Eingangsimpedanz und der geringen Eingangskapazität des Wandlers zu Schwingungen führen können. Damit ist der Betrieb der Stromversorgung am Surge-Generator gar nicht möglich.
Ursache der Schwingneigung
Der Standard-Aufbau bei einer Surge-Prüfung gegen die Eingangsleiter des Wandlers ist in Bild 2 zu sehen: Es zeigt neben dem Prüfling (DUT, Device under Test) und dem Koppelnetzwerk auch das interne Ein-/Auskoppelnetzwerk des Surge-Generators. Das Auskoppelfilter besteht in der Regel aus nichtsättigbaren Drosseln (Luftspulen) im Millihenry-Bereich und dient zum Schutz der Einrichtungen, die den Wandler versorgen und zur Konzentration der Stoßspannungsenergie in Richtung Prüfling.
Der Oszillografen-Plot des Verhaltens eines DC/DC-Wandlers (Bild 3) ist an dem Auskoppelfilter eines Surge-Generators angeschlossen. Kanal 1 zeigt den Verlauf der Eingangsspannung, Kanal 4 den Verlauf des Eingangsstroms. Am Eingang zeigen sich tieffrequente Schwingungen bei zirka 83 Hz. An dieser Stelle stellt sich die Frage nach der Ursache dieser Schwingneigung.
Betrachtet man den Eingangsstromverlauf eines idealisierten Wandlers, das heißt, dass der Wirkungsgrad annähernd eins beträgt, so besitzt dieser den Verlauf einer Last mit P = konstant (Bild 4). Der Eingangsstrom und die Eingangsspannung eines idealen 45-W-Wandlers (Bild 5) sind abhängig voneinander. Im Arbeitspunkt bei Uin = 24 V lässt sich der differenzielle Eingangswiderstand bestimmen. Er beträgt zirka -13 Ω und hat ein negatives Vorzeichen, das bedeutet, wenn sich die Eingangsspannung erhöht, so verringert sich die Stromaufnahme des Wandlers. Durch diese negative Eingangsimpedanz lässt sich der Resonanzkreis, bestehend aus den Auskoppeldrosseln des Surge-Generators und den Eingangskapazitäten des Wandlers, entdämpfen.
Formel 1: Berechnung des differenziellen Eingangswiderstandes.Autronic
Eingangswiderstand
Die Größe des differenziellen Eingangswiderstands in einem gegebenen Arbeitspunkt (AP) lässt sich abschätzen (Formel 1). Die ohmsche Belastung des Resonanzkreises kann über die Höhe der Eingangsspannung nicht konstant sein. Aus Sicht des Surge-Generators besteht die dynamische Eingangsimpedanz des Wandlers aus der Parallelschaltung von dessen Eingangskapazität mit Serienverlustwiderstand (ESR) und dem negativen Eingangswiderstand des eigentlichen Wandlers.
Der ESR der Eingangskapazität und der negative Eingangswiderstand lassen sich in eine gedachte Impedanz in Reihe zur Eingangskapazität umrechnen (parallel-serielle Umwandlung). Dabei kompensiert der positive ESR (dämpfende Wirkung) teilweise den negativen Eingangswiderstand (entdämpfende Wirkung) des Wandlers. Die Kompensation (Entdämpfung) ist umso stärker, je dominanter der negative Eingangswiderstand ausfällt.
Dieses Phänomen tritt bei Wandlern mit niedriger Eingangsspannung wie bei Uin = 24 V auf. Bei einer Parallelschaltung von Widerständen ist der Widerstand mit dem niedrigsten Betrag der dominante Teil; der Schwingkreis ist mit abnehmender Eingangsspannung (stark abnehmender Betrag des negativen Eingangswiderstands) mehr und mehr entdämpft, bis schließlich Auskoppelfilter, Eingangskapazität und differentieller Eingangswiderstand als RLC-Serienschwingkreis resonieren (Bild 6).
Formel 2: Die Polstellen der Stromfunktion.Autronic
Schwingkreis
Die Polstellen der Stromfunktion des RCL-Serienschwingkreises lassen sich berechnen (Formel 2). Dabei setzt sich Rges aus den ohmschen Widerständen im Surge-Generator und dem negativen Eingangswiderstand des Wandlers zusammen. Überschreitet der Eingangswiderstand des Wandlers betragsmäßig die Summe der dämpfenden ohmschen Widerstände, so besitzt die Funktion Polstellen in der positiven, reellen Halbebene. Mathematisch weist dies auf das Auftreten von ungedämpften Schwingungen hin.
Der differenzielle Eingangswiderstand eines 24-V-Wandlers lässt sich mit einem 230-V-Netzteil vergleichen:
- HV-PSU mit 230 V; Pin = 1000 W; Gin =-19 mS
- LV-PSU mit 24 V; Pin = 60 W; Gin =-104 mS
Zur besseren Übersicht ist hier die Leitwertdarstellung ausgewählt. Obwohl das 230-V-Netzteil die sechzehnfache Leistung des 24-V-Wandlers aufweist, besitzt der 24-V-Wandler einen betragsmäßig um den Faktor 5 höheren negativen Eingangsleitwert. Dieses Verhalten macht es bei modernen Wandlern mit niedriger Eingangsspannung unmöglich, Surge-Prüfungen mit Nennlast an den Ausgängen durchzuführen, da die teilweise massiv auftretenden Resonanzen am Netzeingang zur Notabschaltung des Wandlers führen können.
Erste Hilfe – Gegenmaßnahmen treffen
Die Netzteil-Entwickler haben in der Vergangenheit diverse Maßnahmen ergriffen, um das Problem der Eingangsresonanz zu lösen. Als erste, einfach umzusetzende Maßnahme ist die Vergrößerung der Eingangskapazitäten zu nennen (etwas flapsig als Angst-Elkos bezeichnet). Als weitere Maßnahmen positioniert sich die Prüfung des Wandlers bei maximaler Eingangsspannung oder reduzierter Ausgangslast. Diese hat aber den Nachteil, dass der Wandler nicht in seinem Nennarbeitspunkt läuft, so wie es die Norm eigentlich fordert.
Prinzipiell kann jede Schaltnetzteiltopologie ohne einen aktivierten Regler mit fest eingestelltem Tastverhältnis zuverlässig arbeiten, solange Eingangsspannungsbereich und Last in einem engeren Bereich konstant sind. Mit einer derart modifizierten Stromversorgung lässt sich die Stoßspannungsfestigkeit jedoch nur an einem einzigen Betriebspunkt prüfen. Die Gegenmaßnahmen scheitern jedoch bei Wandlern der HFBC60-W/Ks-Serie (Bild 7). Deren weiterer Eingangsspannungsbereich von 14,4 bis 154 VDC, gepaart mit einer Ausgangsdynamik von 0 bis 60 W, lässt nur eine betriebsnahe Prüfung zu.
Schon vorher eingreifen
Alle bisher vorgestellten Maßnahmen beruhen auf mehr oder weniger starken Eingriffen in den Wandler, also seine Ausgangslast oder die Modifikation seines Betriebszustandes. Mit diesen Modifikationen ist es jedoch nicht möglich, ein System im Originalzustand unter Nennbedingungen zu prüfen. Aus diesem Grund forschte Autronic nach einer anderen Möglichkeit, DC/DC-Wandler in einem komplexen System möglichst unangetastet prüfen zu können.
Die Analyse des Problems zeigt, dass die Entdämpfung durch die negative Eingangsimpedanz des Wandlers die eigentliche Ursache darstellt. Alle Maßnahmen, die die Entwickler zwischen Surge-Generator und Prüfling einschleifen, verändern zwangsläufig das System. Jedoch lassen sich beinahe beliebige Maßnahmen vor dem Surge-Generator einbringen. Mit einem einfachen Widerstand in Reihe zu den Eingangsklemmen des Surge-Generators geschaltet, lässt sich die Systemdämpfung deutlich erhöhen (Bild 8).
Mit dem Aufbau lässt sich der negative Impedanzverlauf des Wandlers zum großen Teil kompensieren. Diese Maßnahme ist von ihrer Art her einfach und verändert das System aus Surge-Generator und Wandler nicht. Nachteilig ist die während der Prüfung teilweise recht hohe anfallende Verlustleistung im Dämpfungswiderstand. Durch die vorgestellte Maßnahme des externen Dämpfungswiderstandes ist es möglich, Wandler und angeschlossene Systeme unter Nennbedingungen und Originalzustand einer Stoßspannungsprüfung zu unterziehen.
Sandra Maile
(rao)
