Elektrotechnik Norrenbrock

Netzteilentwicklung

Mögliche Verfahren

Prinzipiell ist das Vorgehen bei jeder Art von Umwandlung elektrischer Energie gleich. Je größer die Energie ist, die es zu übertragen gilt, desto kleiner die Schaltfrequenz. So ist bei Lokomotiven die Schaltfrequenz bei 2 kHz und damit in einem gut hörbaren Bereich. Für die hier dargestellte Anwendung sollte eine Lärmbelästigung vermieden werden, weshalb die Schaltgeschwindigkeit erst bei 20 kHz beginnt.

Nach einigen Recherchen gibt die untere Grafik einen guten Einblick in mögliche Verfahren, wie ein Netzteil konzipiert werden kann:

Problemstellung

In der Praxis wird für die Bereitstellung von Strom und Spannung als Gleich- und Wechselgrößen ein Gleichstromzwischenkreis benötigt. Dieser kann anschließend mittels Tiefsetzsteller auf die gewünschte Gleichspannung reduziert werden. Um sinusförmige Größen zu erhalten, empfieht sich der Einsatz von S3L-Inverter .

Im statischen Betrieb ist der Kondensator auf eine Spannung U_Kond aufgeladen. Wenn nun die Eingangsspannung U_Netz kleiner U_Kond ist, wird die Diode in Sperrrichtung betrieben. Erst wenn die Eingangsspannung größer als U_Kond ist, fließt ein Strom. Dies führt zu einer unsymmetrischen Belastung des Netzes. Darüber hinaus verursacht eine solche Stromentnahme enorme Oberwellen, die andere am Netz angeschlossene Geräte stören.

Wie der oberen Abbildung zu entnehmen ist, werden die Strompfade in drei Fälle eingeteilt rot, blau und grün. Im ersten Fall werden die rot dargestellten Strompfade betrachtet. Auf der Primärseite ist der PFC Mosfet leitend, sodass die Spule L1 aufgestromt wird. Das hieraus resultierende magnetische Feld baut sich auf. Zu den Randbedingungen, U_e ist eine einphasige, gleich gerichtete Wechselspannung mit einem Amplitudenbereich von 0 bis 325 V und einer Frequenz von 100 Hz.
Auf der Sekundärseite wird zeitgleich die Spule L4 und anschließend der Kondensator C21 über den ebenfalls in rot gezeichneten Strompfad entladen. Sobald der PFC Mosfet anfängt zu sperren, kommt der Stromfluss zum Erliegen. Dies lässt sich mit einem Mosfet in ca. 16 ns realisieren. Nachfolgend ist die Berechnung der entstehenden Spannung in Abhängigkeit des Stromes 0,1 A oder 1 A.
$$u=L\frac{di}{dt}=$$ $$\begin{array}{c}20\mu H\frac{\mathrm{0,1...1}A}{16ns}=\\ 20\cdot {10}^{-6}H\frac{\mathrm{0,1...1}A}{16\cdot {10}^{-9}s}=\mathrm{125...1250}V\end{array}$$
Die resultierende Spannung ist deutlich höher als die Zwischenkreisspannung am Kondensator C4. Leider ist es notwendig, sich auch über die Spannungsrichtung Gedanken zu machen, die induzierte Spannung u wirkt der Ursache entgegen Lenz'sche Regel, um jetzt richtig Verwirrung zu stiften, wäre es Zeit für Erzeuger und Verbraucherzählpfeilsysteme. An dieser Stelle sei gesagt, dies ist fachlich sicher nicht korrekt, hilft einem aber sehr gut weiter. Betrachtet man noch mal L1 und dem Strompfad durch den PFC-Mosfet, wo würde man an der Spule "+" und wo "-" anbringen, quasi L1 als Kondensator gezeichnet? Denke jeder würde in diesem Fall links des Symbols ein + Zeichen und rechts neben das Symbol das - platzieren. Nun wird der PFC Mosfet ausgeschaltet, jetzt werden die gedachten + und - Zeichen vertauscht und das + Zeichen schaut nun in Richtung D1. Währnd der PFC-Mosfet ausgeschaltet wird, werden die PWM Mosfets 1 und 2 leitend, der Strom der Induktivität L1 bleibt somit nur der Pfad durch die Diode D1. Somit beginnt der blaue Strompfad zu fließen. Dabei fließt der Strom über die beiden leitenden PWM Mosfets und magnetisiert den Transformator hier dargestellt durch L2 auf. An L3 wird dadurch eine Spannung induziert, diese ist größer als die Spannung an der Diode D15B, daher sperrt diese und der Strom fließt durch die Diode D15A. So wird die Spule L4 aufgestromt und der Kondensator C21 wieder aufgeladen. Zudem wird auch die Last darüber versorgt.

Auf der Primärseite wird während dieser Phase außerdem der Kondensator C4 aufgeladen. Wenn der Strom der Induktivität L1 zu null wird, sperrt die Diode D1. Die restliche benötigte Energie bis zum Ende des Schaltzyklus wird vom Kondensator C4 bereitgestellt. Wenn die Ausgangsspannung Ua ihren Sollwert erreicht hat, werden die beiden PWM Mosfets wieder sperrend. Ähnlich wie die Induktivität L1 muss hier der Fluss im Transformator abgebaut werden. Dazu wird der Transformatorkern über L2 und den primärseitigen Dioden D5 und D6 gegen die Eingangsspannung Ue entmagnetisiert. Dieser Pfad ist hier in grün dargestellt. Während dieser Phase ist auch der rote Strompfad aktiv.

Die obere berechnete Spannung ist eine theoretische Spannung, da diese noch von verschiedenen Faktoren beeinflusst wird, wie dem parasitären ohmschen Widerstand. Darüber hinaus ist der Wert 20 µH schon eher die obere Grenze, da sich die Impedanz der Spule in Abhängigkeit der Schaltfrequenz erhöht und somit den Stromfluss vermindert. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, das Mosfets durchschalten, wenn zwischen dem Gate-Pin und dem Source-Pin +15V Spannungsdifferenz liegen. Für die Mosfets PFC und PWM Mosfet 2 genügt es daher, eine Spannungsquelle mit +15 V zu realisieren. Dies reicht aus, um den PFC und den PWM-Mosfet 2 zu schalten, da die Source-Pins direkt mit dem Neutralleiter (0V) verbunden sind. Sollte dies auch bei dem PWM Mosfet 1 gemacht werden, passiert folgendes, an dem Drain Pin liegen 400V Gleichspannung an. Werden nun die +15V an den Gate-Pin angelegt, schaltet der Mosfet durch. Allerdings aufgrund der Impedanz von Spule L2 in dem Strompfad, stellt sich eine Spannung größer 15V an dem Source-Pin ein, was dazu führt, dass der PWM Mosfet 1 sich selbst abschaltet. Um dies zu verhindern, wird ein Gatetreiber mittels eines 1:1 Impulstransformators verwendet und wie in unteren Abbildung zu sehen verdrahtet.