Die Erfüllung kundenspezifischer Anforderungsprofile führt im Hause SPAUN SCHALTNETZTEILE zu einer bemerkenswerten Produkt-lnnovation, wie auch die neueste Entwicklung belegt: ein Schaltnetzteil mit Synchron-Gleichrichtern und aktiver PFC.

Die geforderte Spezifikation umfasst folgende Kriterien: eine netzgespeiste Stromversorgung mit einem Weitbereichseingang von 90-265V 44-65Hz und einer Ausgangsleistung von ca. 140Watt (+5,2V/12A +12,5V/7A +13,5V/1A bei åP = 140 Watt)‚ geeignet für den Einsatz unter extremen Betriebsbedingungen. Denn für einen Betriebstemperaturbereich von -20°C bis +80°C sollte die uneingeschränkte Funktionsfähigkeit sichergestellt sein. Hier galt es von klassischen Konzepten abzuweichen. Da aufgrund der konstruktiven Vorgaben eine Kühlung durch natürliche Konfektion nur eingeschränkt möglich ist, musste eine Topologie mit den geringsten Eigenverlusten gewählt werden.

Neben den Umgebungsbedingungen sind weitere Forderungen realisiert worden:

1. Die sinusförmigen Stromaufnahme (EN61000-3-2) wird durch aktive PFC eingehalten.

2. Alle Ausgänge werden direkt geregelt und sind kurzschluss- und überberspannungsgeschützt.

3. Die 100% unsymmetrische Lastverteilung ist ohne Einschränkung der Genauigkeit möglich.

4. MTBF von > 300.000h nach Belcore.

5. Sehr hohe Dynamik bei Lastwechseln.

6. Schutzklasse II (sehr kleiner Ableitstrom <0,25mA)

7. Störaussendung EN55011/22, Klasse B. Störfestigkeit EN50082-1/-2

PFC mit Synchronisation

Die Realisierung einer hohen MTBF und die Sicherstellung einer langen Lebensdauer unter extremen Betriebsbedingungen war nur mittels einer aktiven Power-Factor-Correction möglich. Durch die Synchronisation der Taktfrequenz mit dem nachgeschalteten Flußwandler wird ein quasi stromgespeister Wandler realisiert. Der insbesondere für die MTBF-Berechnung maßgebliche Zwischenkreiskondensator C_zk wird mit einem ca. 60% geringerem Rippelstrom als bei einer klassischen PFC-Schaltung beaufschlagt. Dieser Reduzierung entsprechend erhöht sich die Lebensdauer um ein vielfaches.

Minimierung der Umschaltverluste

Im nächsten Schritt galt es, die erhöhten Verluste der aktiven PFC im unteren Eingangsspannungsbereich zu minimieren. Die Umschaltverluste im Schalttransistor sind maßgeblichen in der Gesamtverlustleistungsbilanz. Abhängig von der Eingangsspannung wird die geregelte Zwischenkreisspannung für den unteren Eingangsspannungsbereich um ca. 100Volt abgesenkt. Dies verbessert den Wirkungsgrad -allein für die PFC-Schaltung- um ca. 3%. Bei einem Eingangsspannungsbereich von 90-265Volt liegt somit der Gesamtwirkungsgrad der PFC-Schaltung bei 95-96%.

Um den Anforderungen gerecht zu werden, wurde mittels Temperaturprofil die maximal zulässige Verlustleistung, die das Schaltnetzteil erzeugen darf, ermittelt. Die daraus resultierenden Messergebnisse wiesen einen erforderlichen Wirkungsgrad für das komplette Netzteil von mindestens 86% aus. Aufgrund der gegebenen Verluste der PFC-Schaltung muss somit der Wirkungsgrad des anschließenden Wandlers ³ 90% sein.

         

Der nach der PFC-Schaltung anschließende Flusswandler darf incl. Nachregelung für die Ausgänge 12,5V und 13,5V nur maximal 14,7Watt an Verlustleistung in Wärme umsetzten.

Flusswandler mit Synchron-Gleichrichtern

Die größten Verluste entstehen in klassischen Wandlerkonzepten mit Ausgangsspannungen von 2-l5Volt in der sekundärseitigen Gleichrichtung. Ein weiterer Nachteil ist bei magnetisch gekoppelten Ausgängen die Mitlaufeigenschaft der ungeregelten Spannungen im Kreuzlastbetrieb. Eine Grundlast für die puls-breiten-geregelte Spannung ist für solche Konzepte immer erforderlich.

Um all diesen Problemen aus dem Weg zu gehen hat SPAUN SCHALTNETZTEILE einen Flusswandler mit geschalteten Gleichrichtern <synchronous rectifier) realisiert. Die Gleichrichterdioden werden durch MOS-FET´s mit einem sehr geringen RDS(on) ersetzt. Eine einfach Rechnung belegt den Vorteil dieser Schaltung:

Klassische Methode mit Schottky-Dioden als Gleichrichter	Geschaltete Gleichrichter mittels MOS-FET
IF = 12A UF » 0,5V Sperrspannung mind. 35Volt	ID = 12A RDS(on) = 10mW Sperrspannung 60Volt
P(Dioden) = 12A × 0,5V =6Watt	P(MOS – FET)=(12A)2 × 10mW = 1,44Watt

Mit der Technologie der geschalteten Gleichrichter werden ca. 4,5Watt an Verlustleistung eingespart.

Argumente für das MOS-FET Konzept

Und der Einfluss auf mitlaufende Spannungen? Auch dieser Punkt bedurfte weiterer Überlegungen und neuer Lösungsansätze. Schottky-Dioden verursachen einen Spannungsabfall von 0,2.. .0,5Volt bei einem Ausgangsstrom von 0,1... 12A. Die 0,3Volt Flussspannungsänderung bedeuten für den 5Volt-Ausgang einen prozentualen Anteil von 6%. Um mindestens diese 6% müssen mitlaufende, linear nachgeregelte Spannungen höher ausgelegt werden. Für einen l2Volt-Ausgang mit 7 Ampere würden somit mindestens 12,8Volt im Nennbetrieb zur Verfügung stehen müssen. Dies bringt jedoch Verluste von 5,OWatt mit sich. Ein nicht akzeptabler Wert.

Der oben beschriebene MOS-FET hat über den gesamten Nennstrom gegenüber einer Diode einen Spannungsabfall von lediglich 0...0,12Volt, also maximal 2,4% vom Nennwert. Damit liegt dieser Wert 60% geringerer Wert als bei einer Diodenlösung. Entsprechend betragen die maximal auftretenden Verluste des 12Volt-Ausgangs nur noch 2,0Watt. Ein weiteres Argument für das MOS-FET-Konzept.

Besonders interessant ist das Verhalten der Schaltung bei Lastsprüngen, Kreuzlast und Leerlauf. Ein aktiv geschalteter Gleichrichter erlaubt keinen Lückbetrieb -Ein Vorgang, der sich mathematisch leicht herleiten lässt. Der Rippelstrom, vorgegeben durch die Speicherinduktivität L, pendelt um den Nullpunkt. Dies bedeutet, dass Strom aus dem 5V-Kreis in den Eingangskreis zurückgespeist wird. Eine Grundlast für den 5Volt-Ausgang ist somit nicht erforderlich. Die Energierückspeisung ermöglicht einen hochdynamischen Regelkreis. Lastsprünge zwischen Vollast und Leerlauf werden in weniger als 1ms ausgeregelt. Ein hochkapazitiv beschalteter Ausgang, um die Energie aus der Speicherinduktivität aufzunehmen, ist nicht mehr notwendig. Diese Energie wird in den Primärkreis zurückgespeist. SPAUN SCHALTNETZTEILE hat mit der Technologie der geschalteten Gleichrichter, ganz nebenbei, den Grundstein für eine kostengünstige, auf einem Wandlerkonzept beruhende Online-DC-USV mit geregelten und überwachten Ausgängen gelegt.

Der Nachteil der beschriebenen Schaltung gegenüber Gleichrichterdioden besteht im Ansteueraufwand und den erhöhten Bauteilekosten. Der gewonnene Nutzen und der geringere Aufwand für die Nachregelung rechtfertigt jedoch das eingesetzte Schaltungskonzept.

lnnovation unter Einsatz spezieller Software

Zur schnellen, kostengünstigen und sicheren Realisierung wird im Hause SPAUN SCHALTNETZTEILE eine eigens entwickelte Software für die Berechnung der diversen Schaltungsteile eingesetzt. Dieses Werkzeug spart Entwicklungszeit und führt wesentlich schneller zur Serienreife. Mittels dieser Berechnungsgrundlagen konnten u.a. die Mitlaufeigenschaften der 12,5Volt und 13,5Volt-Ausgänge bis auf 100mV genau ermittelt und simuliert werden. So ergab die vorherige Berechnung, das eine lineare Nachregelung mittels eigenem low-drop-Regler (100mV bei 10A) wesentlich weniger Verluste bereitet als eine Tiefsetzstellerlösung.

 

Die gesamte Spannungsdrift incl. der Verluste auf den Leiterbahnen und den induktiven Komponenten beträgt real 7,2%. Eine Diodenschaltung wäre mit ca. 11% Spannungsdrift unter Berücksichtigung einer Grundlast der 5,2V von ca. 2Watt möglich gewesen.

Es ist grundsätzlich zu überlegen, ob man in Zukunft mit geschalteten Gleichrichtern durch einen Mehreinsatz von Silizium auf Aluminium, sprich Kühlmedien mit der entsprechenden mechanischen Anbindung, verzichten kann. Dies alles zu Gunsten der Verlustleistungsbilanz. Die Umsetzung dieser Überlegung wäre ein wichtiger Schritt in die Richtung geringerer Umweltbelastung.

Technologie von morgen in den Produkten von heute

Stromversorgungen unterliegen einem ständigen Technologiewandel. Nur wer die Technologie von morgen in seine Produkte von heute integriert, wird in der Zukunft noch marktfähig sein. Neben der Entwicklung muss die Fertigung durch Automation und konzentrierte Produktionsabläufe gekennzeichnet sein, Qualität aus einer Hand, alles unter einem Dach: die komplette Fertigung mit Bestückung - SMD und bedrahtete Bauelemente-, Montage, Sicherheits- und Finaltest im ESD-sicheren Kreis angeordnet. Dazu eine statistische Prozesskontrolle, die Qualitätsaussagen über die unterschiedlichen Produkte zu jedem beliebigen Zeitpunkt liefert, werden für die Projektvergabe immer wichtiger. Lösungen nach dem Baukastenprinzip werden für kundenspezifische Stromversorgungen - dies hat das beschriebene Beispiel gezeigt - nie im vollen Umfang den Anforderungen des Kunden gerecht werden.

Das Haus SPAUN hat für die Zukunft alle Weichen gestellt, um den Markt mit kostenoptimierten und innovativen Stromversorgungen der Spitzenklasse zu versorgen.

Hermann Püthe, Geschäftsführer