Wie sieht die Energieversorgung aus?
Ein Netzteil ist ein elektrisches Gerät, das Strom aus einer Energiequelle (z. B. einem Stromnetz) in die von einer Last (z. B. einem Motor oder einem elektronischen Gerät) benötigte Spannung umwandelt.
Es gibt zwei Hauptformen von Stromversorgungen: lineare Stromversorgungen und Schaltnetzteile.
Lineare Stromversorgungen: Lineare Stromversorgungen verwenden einen Transformator, um die Eingangsspannung herunterzuregeln, dann gleichzurichten und in eine Gleichspannung umzuwandeln, die dann gefiltert wird, um die Qualität der Wellenform zu verbessern. Lineare Stromversorgungen verwenden lineare Regler, um die Ausgangsspannung konstant zu halten. Linearregler leiten überschüssige Energie in Form von Wärme ab.
Schaltnetzteil: Das Design von Schaltnetzteilen ist ein neuerer Ansatz, der viele der Probleme löst, die beim Design von linearen Stromversorgungen auftreten, darunter die Größe des Transformators und die Probleme der Spannungsregelung. Bei einem Schaltnetzteil wird die Eingangsspannung nicht mehr reduziert, sondern gleichgerichtet und am Eingang gefiltert. Anschließend wird sie von einem Zerhacker in eine Hochfrequenz-Impulsfolge umgewandelt, die erneut gefiltert und gleichgerichtet wird, bevor die Spannung den Ausgang erreicht.
Inhaltsübersicht
Funktionsprinzip eines Schaltnetzteils
Lineare AC/DC-Netzteile werden seit langem zur Umwandlung von Wechselstrom aus dem Stromnetz in Gleichstrom für Haushaltsgeräte oder Beleuchtung verwendet. Anwendungen mit hoher Leistung erfordern jedoch zunehmend kleinere Netzteile. Lineare Stromversorgungen wurden auf bestimmte industrielle und medizinische Anwendungen beschränkt, wo sie aufgrund ihres geringen Rauschens immer noch nützlich sind; Schaltnetzteile haben sie aufgrund ihrer geringen Größe, ihres hohen Wirkungsgrads und ihrer Fähigkeit, hohe Leistungen zu verarbeiten, weitgehend ersetzt. lineare Stromversorgungen. Abbildung 1 veranschaulicht den allgemeinen Umwandlungsprozess von Wechselstrom (AC) zu Gleichstrom (DC) in einem Schaltnetzteil.
Abbildung 1: Isoliertes AC/DC-Schaltnetzteil
Eingangsgleichrichtung
Die Gleichrichtung ist der Prozess der Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung. Die Gleichrichtung des Eingangssignals ist der erste Schritt bei AC/DC-Schaltnetzteilen.
Unter Gleichspannung versteht man in der Regel eine konstante, geradlinige Spannung, wie sie von einer Batterie geliefert wird. In Wirklichkeit ist Gleichstrom (DC) jedoch als unidirektionaler Ladungsfluss definiert. Das bedeutet, dass die Gleichspannung in dieselbe Richtung fließt, aber nicht unbedingt konstant ist.
Sinuswellen-Wechselstrom (AC) Die Sinuswelle ist die typischste Spannungswellenform, bei der die erste Hälfte des Zyklus positiv und die zweite Hälfte des Zyklus negativ ist. Wird die negative Halbwelle invertiert oder eliminiert, hört der Strom auf zu wechseln und wird zu Gleichstrom. Dieser Umwandlungsprozess kann durch Gleichrichten erreicht werden.
Die Gleichrichtung wird durch den Einsatz von Dioden in einem passiven Halbbrückengleichrichter erreicht, um die negative Hälfte der Sinuswelle zu eliminieren (siehe Abbildung 2). Die Diode lässt den Strom während der positiven Halbwelle durch und sperrt den Strom, wenn er in die entgegengesetzte Richtung fließt.
Abbildung 2: Halbbrückengleichrichter
Eine gleichgerichtete Sinuswelle hat eine niedrige Durchschnittsleistung und ist nicht in der Lage, ein Gerät effektiv zu versorgen. Eine andere, effektivere Methode besteht darin, die Polarität der negativen Halbwelle zu ändern und sie in eine positive Welle umzuwandeln. Diese Methode wird als Vollwellengleichrichtung bezeichnet und erfordert nur vier Dioden in einer Vollbrückenkonfiguration (siehe Abbildung 3). Diese Konfiguration gewährleistet eine stabile Stromrichtung unabhängig von der Polarität der Eingangsspannung.
Abbildung 3: Vollbrückengleichrichter
Im Vergleich zur Halbbrückengleichrichtung ist die durchschnittliche Ausgangsspannung der vollweggleichgerichteten Wellenform höher, aber sie ist immer noch weit von der konstanten Gleichstromwellenform entfernt, die für die Stromversorgung elektronischer Geräte erforderlich ist. Obwohl es sich bereits um eine Gleichstromwellenform handelt, ist an der Form der Spannungswelle zu erkennen, dass sich die Spannung sehr schnell und häufig ändert, so dass die Verwendung einer solchen Gleichspannung zur Versorgung von Geräten ineffizient ist. Diese periodische Schwankung der Gleichspannung wird als Restwelligkeit bezeichnet, und die Reduzierung oder Beseitigung der Restwelligkeit ist für eine effiziente Stromversorgung von entscheidender Bedeutung.
Die einfachste und gebräuchlichste Methode zur Verringerung der Restwelligkeit ist das Hinzufügen eines großen Kondensators, eines sogenannten Speicherkondensators oder Glättungsfilters, zum Gleichrichterausgang (siehe Abbildung 4).
Dieser Kondensator speichert die Spannung während des Scheitelpunkts der Welle und liefert dann Strom an die Last, bis seine Spannung geringer ist als die ansteigende gleichgerichtete Spannungswelle. Die von ihm erzeugte Wellenform kommt der gewünschten Form näher und kann auch als Gleichspannung ohne Wechselstromanteil betrachtet werden. Diese endgültige Spannungswellenform kann Gleichstromgeräte versorgen.
Abbildung 4: Vollbrückengleichrichter mit Glättungsfilter
Passive Gleichrichter verwenden Halbleiterdioden als ungesteuerte Schalter, die die einfachste Methode zur Gleichrichtung von Wechselstromwellen darstellen, aber nicht die effizienteste sind.
Dioden sind relativ effiziente Schalter. Sie schalten sich bei minimalem Stromverbrauch schnell ein und aus. Das einzige Problem dabei ist der Vorwärtsspannungsabfall von 0,5 V bis 1 V, der die Effizienz verringert.
Aktive Gleichrichter ersetzen Dioden durch steuerbare Schalter, wie MOSFETs oder BJT-Transistoren (siehe Abbildung 5). Sie haben zwei Vorteile: Erstens haben Transistor-Gleichrichter nicht den 0,5 V bis 1 V Spannungsabfall, der bei Halbleiterdioden auftritt, weil ihr Widerstand beliebig klein sein kann und daher auch der Spannungsabfall klein ist; zweitens ist der Transistor ein gesteuerter Schalter, was bedeutet, dass die Schaltfrequenz eingestellt und optimiert werden kann.
Der Nachteil ist, dass aktive Gleichrichter komplexere Steuerschaltungen benötigen, um ihre Ziele zu erreichen, die zusätzliche Komponenten erfordern und daher teurer sind.
Abbildung 5: Aktiver Vollbrückengleichrichter
Leistungsfaktor-Korrektur (PFC)
Der zweite Schritt bei der Entwicklung von Schaltnetzteilen ist die Leistungsfaktorkorrektur (PFC).
PFC-Schaltungen tragen nur wenig zur eigentlichen Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom bei, sind aber ein wichtiger Bestandteil der meisten kommerziellen Stromversorgungen.
Abbildung 6: Spannungs- und Stromverläufe am Ausgang des Gleichrichters
Betrachtet man die Stromkurve des Gleichrichter-Speicherkondensators (siehe Abbildung 6), so stellt man fest, dass der Ladestrom in einer sehr kurzen Zeitspanne durch den Kondensator fließt, nämlich von dem Punkt, an dem die Spannung am Eingang des Kondensators größer ist als die Kondensatorladung, bis zu dem Punkt, an dem das gleichgerichtete Signal zwischen den Spitzenwerten liegt. Dies führt zu einer Reihe von kurzen Stromspitzen im Kondensator, die nicht nur für die Stromversorgung, sondern auch für das gesamte Netz ernsthafte Probleme verursachen. Denn diese Stromspitzen werden in das Netz eingespeist und erzeugen eine große Anzahl von Oberschwingungen. Oberschwingungen erzeugen Verzerrungen, die andere Stromquellen und an das Netz angeschlossene Geräte beeinträchtigen können.
Bei der Entwicklung von Schaltnetzteilen besteht der Zweck der Leistungsfaktorkorrekturschaltung darin, diese Oberwellen herauszufiltern und zu minimieren. Es gibt zwei Arten von Leistungsfaktorkorrekturschaltungen: aktive und passive.
Passive PFC-Schaltungen bestehen aus passiven Tiefpassfiltern, die versuchen, hochfrequente Oberschwingungen zu eliminieren. Mit passiver PFC allein können Stromversorgungen, insbesondere bei Hochleistungsanwendungen, jedoch nicht die internationalen Spezifikationen für Oberwellenrauschen einhalten. Es muss eine aktive Leistungsfaktorkorrektur eingesetzt werden.
Die aktive PFC kann die Form der Stromwellenform so verändern, dass sie der Spannungswellenform folgt. Die Oberschwingungen werden zu höheren Frequenzen verschoben und lassen sich daher leichter herausfiltern. In diesem Fall ist die am häufigsten verwendete Schaltung ein Hochsetzsteller (oder Aufwärtswandler).
Isolierung: Isolierte und nicht isolierte Schaltnetzteile
Unabhängig vom Vorhandensein einer PFC-Schaltung besteht der letzte Schritt der Leistungsumwandlung darin, die gleichgerichtete Gleichspannung auf eine für die vorgesehene Anwendung geeignete Größe zu reduzieren.
Da die eingehende Wechselstromwellenform am Eingang gleichgerichtet wird, ist die Ausgangsgleichspannung sehr hoch: Ohne PFC beträgt die Ausgangsgleichspannung des Gleichrichters etwa 320 V; mit der aktiven PFC-Schaltung beträgt die Ausgangsspannung des Hochsetzstellers 400 V oder mehr.
Hohe Spannungen sind in beiden Fällen extrem gefährlich und für die meisten Anwendungen, die sehr niedrige Spannungen erfordern, unnötig. In Tabelle 1 sind mehrere Aspekte aufgeführt, die bei der Auswahl der richtigen Isolationstopologie berücksichtigt werden sollten, darunter der Stromrichter und die Anwendung.
Tabelle 1: Isolierte und nicht isolierte AC/DC-Netzteile
Die Wahl der Methode zur Blutdrucksenkung hängt hauptsächlich mit der Sicherheit zusammen.
Die Eingangsseite des Netzteils ist mit dem Wechselstromnetz verbunden, d. h., wenn am Ausgang ein Leck auftritt, kann ein Stromschlag dieses Ausmaßes zu schweren Verletzungen oder sogar zum Tod führen und alle an den Ausgang angeschlossenen Geräte beschädigen.
Die Sicherheit wird durch magnetisch isolierte AC/DC-Eingangs- und Ausgangsstromkreise gewährleistet, die mit dem Stromnetz verbunden sind. Die am häufigsten verwendeten Schaltungen in isolierten AC/DC-Stromversorgungen sind Sperrwandler und LLC-Resonanzwandler, da sie beide über eine elektrische oder magnetische Isolierung verfügen (siehe Abbildung 7).
Abbildung 7: Flyback-Wandler (links) und LLC-Resonanzwandler (rechts)
Die Verwendung eines Transformators bedeutet, dass es sich bei dem Signal nicht um eine flache Gleichspannung handeln kann. Stattdessen muss sich die Spannung und damit der Strom ändern, damit die Energie über induktive Kopplung von einer Seite des Transformators auf die andere übertragen werden kann. Daher "zerhacken" sowohl Flyback- als auch LLC-Wandler die Eingangsgleichspannung in eine Rechteckwelle, die dann über einen Transformator heruntergestuft wird. Schließlich wird die Wellenform vor der Ausgabe erneut gleichgerichtet.
Ein Sperrwandler, der hauptsächlich in Anwendungen mit geringer Leistung eingesetzt wird, ist auch ein isolierter Abwärtswandler, dessen Ausgangsspannung höher oder niedriger als die Eingangsspannung sein kann, je nach dem Verhältnis zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators.
Die Funktionsweise eines Sperrwandlers ist der eines Aufwärtswandlers sehr ähnlich.
Wenn der Schalter geschlossen ist, wird die Primärspule durch das Eingangssignal aufgeladen und bildet ein Magnetfeld; wenn der Schalter geöffnet wird, wird die Ladung in der Primärspule auf die Sekundärwicklung übertragen, die Strom in den Stromkreis einspeist und damit die Last versorgt.
Der Sperrwandler ist relativ einfach zu entwerfen und erfordert weniger Bauteile als andere Wandler, aber er ist nicht effizient, weil er den Transistor zwingt, sich nach Belieben ein- und auszuschalten, und dieses harte Schalten verursacht große Verluste (siehe Abbildung 8). Insbesondere bei Anwendungen mit hohem Stromverbrauch verkürzt sich dadurch die Lebensdauer der Transistoren und es entsteht eine enorme Verlustleistung. Daher ist der Sperrwandler besser für Anwendungen mit geringer Leistung geeignet, bei denen die Leistung normalerweise bis zu 100 W beträgt.
LLC-Resonanzwandler werden häufig in Hochleistungsanwendungen eingesetzt. Ihr Schaltkreis ist außerdem über einen Transformator magnetisch isoliert. LLC-Wandler beruhen auf dem Phänomen der Resonanz, d. h. wenn die Betriebsfrequenz mit der Eigenfrequenz des Filters übereinstimmt, wird diese Frequenz verstärkt. In diesem Fall wird die Resonanzfrequenz des LLC-Wandlers durch die Serieninduktivität und den Kondensator (LC-Filter) definiert und auch durch den zusätzlichen Effekt der Primärinduktivität (L) des Transformators beeinflusst, daher der Name LLC-Wandler.
LLC-Resonanzwandler werden bevorzugt für Hochleistungsanwendungen eingesetzt, da sie stromlos schalten können, was auch als Soft Switching bezeichnet wird (siehe Abbildung 8). Wenn der Strom im Schaltkreis nahe Null ist, kann er den Schalter ein- und ausschalten, wodurch die Schaltverluste des Transistors minimiert werden, was die EMI reduziert und die Effizienz verbessert. Diese Leistungsverbesserung hat jedoch ihren Preis: Es ist sehr schwierig, einen LLC-Resonanzwandler zu entwickeln, der unter verschiedenen Lastbedingungen sanft schalten kann. Zu diesem Zweck hat MPS ein spezielles LLC-Design-Tool entwickelt, das sicherstellt, dass der Wandler im korrekten Resonanzzustand arbeitet und dadurch eine bessere Schalteffizienz erreicht.
Abbildung 8: Verluste durch hartes Schalten (links) und weiches Schalten (rechts)
Wie bereits erwähnt, ist eine der Grenzen von AC/DC-Netzteilen die Größe und das Gewicht des Eingangstransformators. Dies liegt daran, dass die niedrige Betriebsfrequenz des Eingangstransformators (50 Hz) eine größere Spule und einen größeren Kern erfordert, um eine Sättigung zu vermeiden.
Bei Schaltnetzteilen ist die Schwingungsfrequenz der Spannung wesentlich höher (mindestens über 20 kHz). Dies bedeutet, dass der Abspanntransformator kleiner sein kann, da hochfrequente Signale weniger magnetische Verluste im linearen Transformator verursachen. Da der Eingangstransformator kleiner wird, kann das System miniaturisiert werden, so dass die gesamte Stromversorgung in ein Handy-Ladegerät passt, wie wir es heute verwenden.
Einige Gleichstromgeräte benötigen keinen Transformator, um eine Isolierung zu gewährleisten. Dies ist bei Geräten üblich, die keine direkte Berührung durch den Benutzer erfordern (z. B. Leuchten, Sensoren, IoT usw.), da die Verarbeitung der Geräteparameter auf einem separaten Gerät (z. B. Telefon, Tablet oder Computer) erfolgt.
Dies hat erhebliche Vorteile für das Gewicht, die Größe und die Leistung des Geräts. Diese Wandler reduzieren die Ausgangsspannung mit Hilfe eines Hochspannungsabwärtswandlers. Dessen Schaltung kann als die invertierende Schaltung des zuvor erwähnten Aufwärtswandlers betrachtet werden. In diesem Fall erzeugt der durch die Drosselspule fließende Strom bei geschlossenem Transistorschalter eine Spannung an der Drosselspule, die die Versorgungsspannung aufhebt und so die Spannung am Ausgang reduziert. Wenn der Schalter geöffnet wird, gibt die Induktivität Strom an die Last ab, wodurch die Spannung an der Last aufrechterhalten wird, wenn der Stromkreis von der Stromquelle getrennt wird.
In AC/DC-Schaltnetzteilen werden Hochspannungs-Abwärtswandler verwendet, da die als Schalter fungierenden MOSFET-Transistoren großen Spannungsschwankungen standhalten müssen (siehe Abbildung 9). Wenn der Schalter geschlossen ist, liegt die Spannung über dem MOSFET nahe bei 0 V; wenn er jedoch geöffnet ist, steigt diese Spannung auf 400 V bei einer einphasigen Anwendung und auf 800 V bei einem dreiphasigen Wandler. Diese plötzlichen hohen Spannungsänderungen können gewöhnliche Transistoren leicht beschädigen, weshalb spezielle Hochspannungs-MOSFETs verwendet werden.
Abbildung 9: Nicht-isoliertes AC/DC-Schaltnetzteil mit aktiver PFC
Ein Abwärtswandler ist einfacher zu integrieren als ein Transformator, da er nur eine Induktivität benötigt. Sein spannungssenkender Wirkungsgrad ist ebenfalls höher, mit einem Wirkungsgrad von bis zu 95% unter normalen Bedingungen. Dieser hohe Wirkungsgrad wird dadurch erreicht, dass die Transistoren und Dioden fast keine Schaltleistung verbrauchen und die einzigen Verluste von der Spule herrühren.
Zusammenfassend
AC/DC-Schaltnetzteile sind derzeit die effizienteste Methode zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom. Ihre Leistungsumwandlung ist in drei Stufen unterteilt:
1. Eingangsgleichrichtung: Die Eingangsnetzwechselspannung wird durch eine Diodenbrücke in eine gleichgerichtete Gleichspannung umgewandelt. Durch Hinzufügen eines Kondensators zum Ausgang der Brücke kann die Brummspannung reduziert werden.
2. Leistungsfaktorkorrektur (PFC): Aufgrund des Vorhandenseins von nichtlinearem Strom im Gleichrichter ist der Oberwellengehalt des Stroms sehr hoch. Es gibt zwei Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen: Die eine ist die passive PFC, bei der Filter zur Unterdrückung von Oberschwingungen eingesetzt werden, aber diese Methode ist nicht effizient; die zweite Methode ist die aktive PFC, bei der Schalter zum Spannungswandler eingesetzt werden, damit die Stromwellenform der Eingangsspannungswellenform folgt. Nur mit aktiver PFC können Stromrichter die aktuellen Größen- und Effizienzstandards erfüllen.
3. Isolierung: Schaltnetzteile können isoliert oder nicht isoliert sein. Ein Gerät ist isoliert, wenn der Eingang und der Ausgang eines Netzteils nicht physisch miteinander verbunden sind. Die Isolierung kann durch einen Transformator erreicht werden, der die beiden Hälften des Stromkreises elektrisch isoliert. Daher wird die gleichgerichtete Gleichspannung in eine hochfrequente Rechteckwelle zerhackt und dann an den Sekundärkreis übertragen, wo sie erneut gleichgerichtet und schließlich an den Ausgang weitergeleitet wird.
Bei der Entwicklung eines Schaltnetzteils müssen alle Aspekte berücksichtigt werden, insbesondere Sicherheit, Leistung, Größe und Gewicht. Auch die Steuerschaltung von Schaltnetzteilen ist komplexer als die von linearen Netzteilen, und viele Konstrukteure finden es hilfreich, integrierte Module im Netzteil zu verwenden.
