Das aktuelle Schlagwort im Bereich des elektronischen Designs lautet Miniaturisierung. Auf möglichst kleinem Raum soll ein Maximum an Funktionalität Platz haben. In einem modernen Schaltnetzteil (Switch-Mode Power Supply, SMPS) nehmen die für das Filtern erforderlichen Induktoren und Kondensatoren mehr Platz ein als jedes andere Geräteteil. Die entsprechenden Werte und daher auch die Größen dieser passiven Komponenten verhalten sich umgekehrt proportional zur verwendeten Schaltfrequenz. Eine höhere Schaltgeschwindigkeit ist daher der beste Weg, um die Komponentengröße zu verringern und Platz zu sparen.
Daraus ergibt sich, dass die Verwendung von Induktoren mit Luftkern vorteilhafter ist, als die Verwendung von Induktoren mit Metallkern. Dies verringert nicht nur die mit Metallkerninduktoren zusammenhängenden Verluste, sondern vergünstigt und vereinfacht auch die Herstellung eines Geräts. Außerdem werden aufgrund der erforderlichen relativ geringen Kondensatorwerte problembehaftete elektrolytische Kondensatoren häufig nicht benötigt.
Verluste am Schalter
Das mit einer höheren Schaltfrequenz zusammenhängende Problem sind die Verluste im MOSFET-Schalter selbst, die größtenteils durch die internen Kapazitäten innerhalb des MOSFET-Halbleiters verursacht werden. Diese Verluste werden häufig als das Ergebnis von “Stress” am Schalter bezeichnet. Leider nimmt dieser Effekt mit der Frequenz zu; immer wenn ein Schalter ein- oder ausgeschaltet wird, hat dies einen Leistungsverlust zur Folge. Einige der Auswirkungen, insbesondere EMI und RFI, können durch die Verwendung von sogenannten Snubber-Schaltungen verbessert werden. Die Leistungsfähigkeit insgesamt leidet dabei jedoch. Das Endergebnis ist eine effektiv eingeschränkte Frequenz der modulierten Impulsbreiten-Switcher (PWM-Switcher) um etwa 1 MHz. Resonanzwandler funktionieren hingegen bei Frequenzen im VHF-Bereich mit 100 MHz oder besser.
Weiches Schalten
Resonanzumwandlung oder weiches Schalten stellt eine Möglichkeit dar, die Verluste am Schalter einzudämmen. Bei dieser Strategie wird der MOSFET-Schalter an einem Punkt umgestellt, an dem fast keine Spannung und fast kein Strom vorhanden sind (Zero Voltage und Zero Current, ZVZC). Dies erfordert eine sehr komplexe Steuerschaltung. Eine einfacher zu implementierende Lösung ist das Schalten an einem Punkt ohne Strom (Zero Current Switching, ZCS) oder ohne Spannung (Zero Voltage Switching, ZVS). Der Nachteil von ZVS besteht darin, dass die Verluste nicht proportional mit der Last am Ausgang sinken. ZCS hingegen wird im Allgemeinen durch die Höhe der Frequenz eingeschränkt, bis zu der es funktioniert. Es überrascht daher nicht, dass das Augenmerk besonders auf ZVS als eine Möglichkeit zur Implementierung der Resonanzumwandlung bei sehr hohen Frequenzen lag.
Die Implementierungen sind sehr komplex, aber das grundlegende Konzept kann einfach dargestellt werden. S stellt in den beiden Diagrammen den Halbleiterschalter dar.
Im Strommodus wird die Resonanzaktion durch Schließen des Schalters ausgelöst, was sicherstellt, dass beim Einschalten des Schalters kein Strom vorhanden ist. Bei der Resonanzumschaltung im Spannungsmodus wird der Resonanzkondensator direkt mit dem Schalter parallel geschaltet, um ein Umschalten ohne Spannung sicherzustellen.
Statt den Arbeitszyklus zur Steuerung der Ausgangsspannung anzupassen, wie dies heutzutage von PWM-Switchern gehandhabt wird (siehe “Schaltnetzteile erreichen neue Bestwerte beim Wirkungsgrad”), sind Resonanzwandler oft auf eine Berstmodus-Steuerung angewiesen; der Arbeitszyklus und die Frequenz des Betriebs werden konstant gehalten. Bei dieser Methode wird das gesamte Gerät ein- und ausgeschaltet, um die gewünschte Ausgangsspannung beizubehalten. Das Umschalten findet mit einer viel niedrigeren Frequenz als die VHF-Geschwindigkeit statt, mit der das Gerät intern betrieben wird. Das Konzept wird unten dargestellt.
Wenn die Ausgabe den geforderten Wert überschreitet, wird das Gerät ausgeschaltet und die Last wird von Cout versorgt. Wenn sie erheblich sinkt, schaltet sich der gesamte Wandler wieder ein. Je häufiger der Wandler ein- und ausgeschaltet wird, desto stärker ist die Leistungsfähigkeit des Betriebs insgesamt beeinträchtigt. Ein größerer Kondensator hält eine größere Ladung, wodurch seltener umgeschaltet werden muss. Dies führt zu Nachteilen für das Design – ein sperriger Kondensator mit größerer Leistungsfähigkeit vs. ein kleinerer Kondensator mit geringerer Leistungsfähigkeit.
Designaspekte
Aufwärtswandler sind DC-DC-Wandler, die eine höhere Ausgangsspannung als die angelegte Eingangsspannung zurückgeben. Klassische SMPS-Aufwärtswandler, die mit relativ geringen Geschwindigkeiten arbeiten, sind unter “Topologien für Leistungswandlergeräte” beschrieben. Das Schema für das Leistungsteil eines experimentellen Aufwärtswandlers mit 75 MHz wird nachfolgend dargestellt.
Im Beispiel oben wird ZVS durch eine sorgfältige Wahl von Lf, Lr, Ce und Cr erreicht, sodass die Spannung, die beim Öffnen des MOSFET-Schalters über den Abfluss und die Quelle des Geräts auftritt, ansteigt und dann zum Zeitpunkt, an dem die halbe Schaltzeit verstrichen ist, zurück auf null fällt. Dieses Design beruht auf einem festen Arbeitszyklus und einer festen Schaltfrequenz.
Es ist außerdem wünschenswert, dass die Spannung am Schalter nicht nur beim Ausschalten Null ist, sondern dass ihr Derivativ in Hinblick auf den Zeitpunkt, an dem das Gerät eingeschaltet wird, ebenfalls Null ist. Dies wird Class E-Switching genannt und ist ein ausgesprochen wichtiges Designziel, da der verringerte Stress am umschaltenden Halbleiter wiederum zu einer geringeren elektromagnetischen Strahlung führt.
Es gibt viele andere Methoden, die sich noch in der Entwicklung befinden. In einer Version werden Induktoren und Kondensatoren zum Wechselrichter hinzugefügt, um mit den Oberwellen der festen Schaltfrequenz in Resonanz zu treten und dabei die Abfluss-zu-Quelle-Spannung in kritischen Momenten zu beeinflussen sowie den Umschaltstress zu verringern. In allen Fällen ist zu beachten, dass ein Design dieser Art in möglichst wenigen Zyklen eine stabile Ausgangsspannung erzielt, da diese im Wesentlichen durch das vielmalige Ein- und Ausschalten des Geräts pro Sekunde gesteuert wird. Die Stabilität wird auch dadurch verbessert, dass der Gleichrichter des Wandlers dem Inverter möglichst als reiner Widerstand dient.
Die primäre Leistungsfähigkeit von VHF-Resonanzwandlergeräten ist nicht höher als von klassischen SMPS-Geräten. Sie haben den Vorteil, kleiner zu sein und eine viel geringere EMI und RFI aufzuweisen, was für eine Vielzahl von Anwendungen von großer Bedeutung sein kann. Zum jetzigen Zeitpunkt liefert eine schnelle Websuche zu diesem Thema hauptsächlich wissenschaftliche Artikel, die besagen, dass diese Gerätearten erst am Anfang ihrer Entwicklung zur ultimativen Kommerzialisierung stehen.