Um eine gute Rentabilität zu gewährleisten, müssen diese Leistungswandler einen sehr hohen Wirkungsgrad (passend zur erhöhten Effektivität der Lichtquelle) und eine lange Lebensdauer (aufgrund der Kosten und ihrer oft abgelegenen oder schwer zugänglichen Standorte) aufweisen. Der LLC-Wandler, der mit einer hocheffizienten PGC-Konvertierungsverstärkerstufe zusammenarbeitet, bietet den besten Wirkungsgrad oberhalb von 100 W, stellt aber auch einige Herausforderungen dar, bevor ein zuverlässiges Design realisiert werden kann.
Ein LLC-Wandler ist ein Resonanzschaltwandler, der einen Halbbrückenschalter in Reihe mit einem Resonanzkreis verwendet. In einem LLC-Wandler sind die Hoch- und Niederspannungsleitungen über einen Serienkondensator in Halbbrückenkonfiguration mit einem Transformator verbunden. Die Induktivität von Transformator und Kondensator komprimiert die Resonanzlast, während die beiden Treibertransistoren der Halbbrücke abwechselnd leiten und so zwischen den einzelnen Leitungsphasen Totzeiten entstehen.
Schwankungen der Leitungsparameter und parasitäre Komponenten in den Gates von Halbbrücken-MOSFETs können zu Zeitverzögerungen führen und möglicherweise ein Auslösen und einen katastrophalen Ausfall der MOSFETs verursachen, wie in Abbildung 1 dargestellt. Das Risiko des Auslösens ist die Hauptbeschränkung der Schaltfrequenz von LLC-Designs.
Power Integrations (PI) hat diese Herausforderungen mit der neuen Produktfamilie HiperLCS™ gelöst. Die integrierten Schaltkreise der HiperLCS-Serie vereinen alle wesentlichen Funktionen und Schutzschaltungen eines LLC-Wandlers in einer monolithischen Schaltkreisfamilie mit einer Ausgangsleistung von bis zu 440 W.<sup>1</sup> Die Bausteine umfassen zwei 530-V-Leistungs-MOSFETs, Hoch- und Niederspannungstreiber, einen LLC-Treiber, Unterspannungs- und Überspannungsschutz sowie Schutz vor Spannungseinbrüchen und -ausfällen.
In HiperLCS-integrierten Schaltungen sind die Hochspannungs-Ausgangs-MOSFETs zusammen mit den Treibern, dem Pegelwandler und der Steuerung eng auf einem einzigen Siliziumblock integriert. Dies ermöglicht eine präzise Steuerung von Schwankungen im Ansteuersystem und somit die Kompensation aller parasitären Elemente. Darüber hinaus werden Totzeit und Tastverhältnis während der Fertigung für jedes Bauteil individuell angepasst, wobei die Tastverhältnisse innerhalb von ±1 Prozent ausgeglichen sind.
Die präzise Steuerung der Einschaltzeit ermöglicht es HiperLCS-ICs, den nominalen stationären Betrieb bei einer Schaltfrequenz von 500 kHz und einer maximalen Betriebsfrequenz von 1 MHz aufrechtzuerhalten. Diese hohe Schaltfrequenz ist wichtig, da sie den Einsatz kostengünstiger SMD-Keramikkondensatoren in der Ausgangsschaltung anstelle sperriger Elektrolytkondensatoren erlaubt. Keramikkondensatoren sind auch in Anwendungen mit langer Lebensdauer, wie z. B. Zonenbeleuchtung, vorzuziehen, da sie – im Gegensatz zu Elektrolytkondensatoren, die häufig bei hohen Temperaturen ausfallen – weder Parameterdrift noch vorzeitigen Ausfall aufweisen.
Ein weiterer Vorteil der hohen Schaltfrequenz besteht darin, dass deutlich kleinere Transformatoren und Ausgangsinduktivitäten benötigt werden, wodurch die Herstellung flacher Bauformen mit einer Höhe von nur 11 mm möglich ist.
Die präzise Einstellung der Tastverhältnisse gewährleistet ein genaues Umschalten zwischen den beiden Ausgangsdioden und den beiden Hälften der Sekundärwicklung des Transformators. Daher ist es nicht notwendig, die Ausgangsdioden zur Kompensation von Stromungleichgewichten zu überdimensionieren.
Bei einem unausgeglichenen Tastverhältnis müssen die Ausgangsdioden so ausgelegt sein, dass sie den maximalen Spitzenstrom bewältigen können. Der Transformator muss dann ebenfalls für die Lieferung dieses höheren Stroms ausgelegt sein. Es ist zu beachten, dass der Wirkungsgrad aufgrund der I²R-Verluste, die durch diese höheren Spitzenströme entstehen, beeinträchtigt werden kann.
Abbildung 6 zeigt die wesentlichen Elemente eines kompletten Netzteils mit dem HiperLCS-Ausgangsgerät. Am Wechselstromeingang spart ein X CAPZero™ Entladekondensator-IC Energie, indem er über Entladeschutzwiderstände Gleichstromleckströme verhindert. Ein hocheffizienter HiperPFS™ Leistungsfaktorkorrektor-IC versorgt die Ausgangsstufe des HiperLCS-Geräts mit 380 V Gleichspannung. Geräte der TOPSwitch™-JX-Familie bieten ein sehr stromsparendes Standby-Netzteil mit zwei Funktionen: Zum einen ermöglicht es Funktionen wie das ferngesteuerte Ein- und Ausschalten des Hauptnetzteils, zum anderen versorgt es die HiperPFS- und HiperLCS-Geräte mit 12 V Gleichspannung, während sich das Hauptnetzteil im Standby-Modus befindet.
Effizienz:
HiperLCS-ICs bieten zwei Einsatzmöglichkeiten. Für Hochleistungsanwendungen sorgt ihre Resonanzregelung für geringe Leistungsverluste und ermöglicht so einen Wirkungsgrad von über 97 % bei einer Nennschaltfrequenz von 66 kHz. Sind Kosten und Größe die entscheidenden Designkriterien, ist eine höhere Schaltfrequenz erforderlich. Auch in diesem Fall bleibt der Wirkungsgrad hoch – beispielsweise 96 % bei 250 kHz, der Frequenz, bei der die maximale Leistung erreicht wird.
In Kombination mit dem Eingang eines HiperPFS-Leistungsfaktorkorrektors (siehe Abbildung 6) erzielt die Schaltung einen Gesamtwirkungsgrad von über 89 % bei Volllast.
Modellierung:
Die integrierten Schaltkreise von HiperLCS ermöglichen es dem Entwickler, das Design zu optimieren, indem Parameter wie maximale und minimale Schaltfrequenzen und Totzeit so eingestellt werden, dass sie den Leistungsanforderungen des Zuges entsprechen.
Die Frequenz, mit der das Netzteil in den Burst-Modus wechselt, lässt sich ebenfalls anpassen. Dadurch kann der Antriebsstrang für maximale Effizienz optimiert werden, während gleichzeitig die Regelung bei Nulllast während eines Anstiegs der Eingangsspannung aufrechterhalten wird.
Angesichts der zahlreichen Optionen für Entwickler ist der Einsatz eines präzisen Modellierungswerkzeugs zur Simulation des Schaltungsverhaltens und zur Automatisierung der Transformator- und Induktivitätsauslegung unerlässlich. Die Software Xls Expert Suite Version 8 von Power Integrations, ein Echtzeit-Design- und Modellierungswerkzeug, ist vollständig mit HiperLCS-Designs kompatibel. Die Software bietet umfassende Designfunktionen für den ersten Schritt, sowohl für den Transformator als auch für den Resonanzantrieb. Das einzigartige Schaltmodell in Xls erreicht eine Genauigkeit von ±3 %. Dies ist eine deutliche Verbesserung gegenüber den meisten vereinfachten AC-Modellen, deren Genauigkeit lediglich ±15 % beträgt. Die höhere Genauigkeit verkürzt den Entwicklungszyklus erheblich, da mehrstufige Prototypenerstellung entfällt. Die von Power Integrations veröffentlichte Application Note AN-55 enthält eine detaillierte Anleitung zur Verwendung von Xls beim Design einer HiperLCS-Anwendung.
Kompliziertes Design:
Bei Hochstromschaltungen mit 500 kHz ist eine sorgfältige Anordnung der Bauteile und Verdrahtung unerlässlich, um optimale Leistung zu erzielen. Bestimmte Pins des HiperLCS-ICs, wie der FEEDBACK-Pin und der DEAD-TIME/BURST FREQUENCY-Pin, reagieren empfindlich auf Störungen und müssen daher entkoppelt werden. Der Transformator erzeugt sowohl hohe di/dt-Signale als auch dv/dt-Rauschen. Di/dt-Signale können magnetisch an empfindliche Schaltungen ankoppeln, während dv/dt-Signale durch elektrostatische Kopplung Störungen verursachen können. Die elektrostatische Rauschkopplung lässt sich durch Erdung des Transformatorkerns reduzieren. Dies ist jedoch wirtschaftlich nicht sinnvoll, um das magnetische Streufeld um den Transformator zu verringern, ohne dessen Effizienz drastisch zu reduzieren. Leiterbahnen und empfindliche Bauteile (wie der optische Koppler) sollten daher in ausreichendem Abstand zum Transformator positioniert werden, um Störungen zu vermeiden.
Das HiperLCS-Datenblatt enthält detailliertere Informationen zur Bauteilplatzierung und zum Gleisdesign. Abbildung 7 zeigt ein Beispiel.
Der „Power Integrations’ Reference Design Report RDR-239“ beschreibt ein vollständiges HiperLCS-Design, das sich für Außenbeleuchtungsanwendungen eignet. Der Wandler liefert bei Volllast einen Ausgangsstrom von 6,25 A bei 24 V und einem Wirkungsgrad von über 95 % (3). Das Referenzdesign-Kit RDR-239 umfasst ein Netzteil, Abtastvorrichtungen, ein übersichtliches Leiterplattenlayout, ein Datenblatt, einen ausführlichen Entwicklungsbericht, die Designsoftware PI Exper sowie weitere zugehörige Dokumentation.
Mit HiperLCS hat Power Integrations die Entwicklung hocheffizienter LLC-Wandler vereinfacht und beschleunigt. Das integrierte Gerät übernimmt Synchronisation und Interferenzunterdrückung, und die mitgelieferten Evaluierungsbeispiele bieten Entwicklern einen schnellen Einstieg. Die HiperLCS-Technologie ist eine neue Ressource für die Inbetriebnahme von LED-Straßen- und Zonenbeleuchtung und nutzt hocheffiziente Wandler für noch größere Energieeinsparungen.
Referenzen:
1. LCS700-708 HiperLCS™-Familie: Integrierter LLC-Controller, Hochspannungs-Leistungs-MOSFETs und Treiber. Juni 2011. www.powerint.com
2. Anwendungshinweis AN-55: Designleitfaden für die HiperLCS-Familie. Juni 2011. www.powerint.com
3. Referenzdesignbericht für einen 150-W-LLC-Hochspannungs-DC/DC-Resonanzwandler mit HiperLCS™ LCS702HG. 13. September 2011. www.powerint.com
