Schaltnetzteile rundlagen - Entwurf - Schaltungsbeispiele

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1 Schaltnetzteile rundlagen - Entwurf - Schaltungsbeispiele Joachim Wüstehube (Hrsg.) Autoren: Wim Hetterscheid Rudolf Braukmeier Henk Houkes Joachim Koch Hans-Werner Lütjens Roland Ranfft Karl Ruschmeyer Kees van Velthooven Joachim Wüstehube Kontakt & Studium Band 33 Prof. Dr.-Ing. Wilfried J. Bartz Technische Akademie Esslingen Fort- und Weiterbildungszentrum Dipl.-Ing. FH Elmar Wippler expert verlag 7031 Grafenau 1/Württ. VDE-Verlag 1000 Berlin 12

2 Inhaltsverzeichnis Zu diesem Buch gehört ein Beiheft mit Nomogrammen Wichtige Formelzeichen 19 1 Eigenschaften und Arbeitsprinzipien von Schaltnetzteilen 25 J. Wüstehube 1.1 Einleitung Grundtypen von Gleichspannungswandlern Sperrwandler Durchflußwandler Gegentaktwandler Gleichspannungswandler-Varianten Vergleich der Wandlerschaltungen, Auswahlkriterien 39 2 Schaltnetzteile mit Durchflußwandler 41 С van Velthooven, W. Hetterscheid 2.1 Der Durchflußwandler Kontinuierlicher Strom durch die Speicherdrossel Unterbrochener Strom durch die Speicherdrossel Der Doppel-Durchflußwandler Einfluß der Speicherdrossel und des Ausgangskondensators auf das Verhalten des Wandlers Grenz-Ausgangsstrom / Erholzeit f R Spannungsschwankung AU Q max Ausgangswelligkeit C/ wss Die Netzgleichrichtung Der Ladekondensator Grenzen der Eingangsspannung, Variation der Ausgangsspannung 53

3 2.5 Bemerkungen zur Steuerschaltung 2.6 Die Ausgangswelligkeit 2.7 Laständerungen Erholzeit Der Ausgangskondensator Der Magnetisierungsstrom des Transformators 2.8 Berücksichtigung parasitärer Widerstände und Induktivitäten Der verlustbehaftete Durchflußwandler Effektives Tastverhältnis 2.9 Die Speicherdrossel Induktivität Der Drossel-Entwurfsparameter e Kerne aus Ferroxcube 3C Dimensionierungshinweise Verluste und Temperaturerhöhung 2.10 Der Transformator Der Magnetisierungsstrom Das Kernvolumen Entwurfsschritte Dimensionierungshinweise Verluste und Temperaturerhöhung 2.11 Der Hochvolt-Schalttransistor Die Basisansteuerung DieSchutzbeschaltung 2.12 Die Dioden auf der Sekundärseite Auswahl der geeigneten Diode Der Strom durch die Dioden 2.13 Der Ausgangskondensator 3 Schaltnetzteile mit Sperrwandler R. Ranfft 3.1 Einleitung 3.2 Der ideale Sperrwandler 3.3 Dimensionierung und Eigenschaften von Sperrwandlern für Schaltnetzteile Der Leistungsteil des Sperrwandlers Festlegen der Betriebsart Wahl des Transistortyps Wahl der Betriebsfrequenz Mindestanforderungen an die Schutzschaltung des Schalttransistors Dimensionierung des Transformators

4 Korrektur der Dimensionierung Der Ausgangskreis Stellmöglichkeiten beim Sperrwandler Leistungssteuerung bei konstanter Frequenz Leistungssteuerung bei konstanter Amplitude des Primärstromes Der selbstschwingende Sperrwandler Die Ansteuerung des Schalttransistors Netzgleichrichtung und Entstörung 13g R. Ranfft 4.1 Netzgleichrichter Ladekondensator Dauerbelastung der Bauelemente Einschaltbelastung der Bauelemente 14g 4.2 Definition der Störgrößen Vorschriften und Vereinbarungen für die Funkentstörung Entstörung der Eingangsleitungen Symmetrische Störspannungen am Eingang Unsymmetrische Störspannungen am Eingang Entstörung der Ausgangsleitungen Symmetrische Störspannungen am Ausgang Unsymmetrische Störspannungen am Ausgang Unterdrückung der Störstrahlung Integrierte Steuerschaltungen 173 H. Houkes 5.1 Einleitung Prinzip einer Schaltnetzteilregelung Erforderliche Kreisverstärkung Netztrennung Primärseitige Regelschaltung Sekundärseitige Regelschaltung Netztrennung innerhalb der Regelstrecke Integration der Regelschaltung Steuer-und Regelschaltung TDA Allgemeines Beschreibung der Schaltung Gegentaktausgang. 197

5 6 Regelung R. Ranfft Einleitung Erfassung der Regelabweichung Die Regelung des Sperrwandlers Die Regelung des Durchflußwandlers Schnelle Hochvolttransistoren 213 R. Braukmeier 7.1 Einleitung Anforderungen an den Schalttransistor in Schaltnetzgeräten Spannungsfestigkeit Schaitverhalten Sättigungsspannung Technologie für schnelle Hochvolt-Schalttransistoren Dreifach-Diffusions-Technik Anforderungen und Probleme beim Betrieb am Netz, Einfluß auf Auslegung und Technologie Spannungsfestigkeit Maßnahmen zur Beherrschung der Feldstärkeprobleme an der Oberfläche von Hochvolttransistoren Schaltverhalten von Hochvolttransistoren Unterschiede gegenüber Niedervolttransistoren Sättigungsspannung (У СЕ sal Stromverstärkung В Speicherzeit Sperrspannungen U CES м, (У СЕ Eigenschaften praktischer Transistoren Abhängigkeit von der Kristallgröße Einsatzbereich der Schaltnetzgeräte und Einfluß auf das Transistor-Typenspektrum Praxisnahe Publikationsdaten Zuverlässigkeit SOAR Sicherer Arbeitsbereich für Transistoren 227 J. Wüstehube 8.1 Einleitung Verhalten der Transistoren in der Umgebung der SOAR-Grenzen 228

6 8.2.1 Durchbruchverhalten Verlustleistung und Sperrschichttemperatur Kollektorstrom Randbedingungen für die Festlegung von Arbeitsbereichgrenzen Betrieb unterhalb und oberhalb von U CE 0 max Zeitlich konstante und pulsförmige Belastung SOAR-Grenzen sind absolute Grenzwerte Arbeitsbereich bei beliebigem Basisabschluß <^CE<"cEOmax> Zeitlich konstante Belastung Pulsförmige Belastung Arbeitsbereiche für U C^>U C^ 0 max Beispiel für die Ausnutzung von Arbeitsbereichen bei ^CE>^CEOmax Wärmeabfuhr Thermische Ersatzschaltung Maximal zulässiger Wärmewiderstand/? th K Übergangs-Wärmewiderstand ff th G^K Kühlkörper 274 Anhang 287 A1 Entstehung des zweiten Durchbruchs 287 A 2 Zweiter Durchbruch unter-und oberhalb von C/ CE о max 289 A3 Maßnahmen des Herstellers 290 A 4 Festlegen von Arbeitsbereichgrenzen für den zweiten Durchbruch 291 A 5 Arbeitsflußdiagramm: Auswahl und Sicherung von Transistoren 294 Schaltverhalten von Hochvolttransistoren 295 W. Hetterscheid Schaltverhalten Einschalten Ausschalten Optimale Basis-Treiberschaltung Basiswiderstand Netzwerke für das Abschalten Netzwerke für das Einschalten Praktischer Schaltungsentwurf Physikalische Vorgänge in Schalttransistoren für hohe Spannungen Einschaltvorgang

7 9.3.2 Ausschaltvorgang Oszillogramme des Ein- und Ausschaltverhaltens Transformatoren, Speicherdrosseln und Ausgangskondensatoren 323 J. Koch, K. Ruschmeyer 10.1 Schaltnetzteil-Transformatoren mit Ferroxcube-Kernen zur Leistungsübertragung Die EC-Kern-Reihe Dimensionierung der Schaltnetzteil-Transformatoren Praktischer Wicklungsaufbau Speicherdrosseln mit Ferroxcube-Kernen im Sekundärkreis von Durchflußwandlern Berechnung der Induktivität Bestimmung von Kern, Luftspalt und Windungszahl aus der Induktivität unter Berücksichtigung der maximal zulässigen Temperaturerhöhung Berechnung des Ausgangskondensators beim Durchflußwandler Ein Beispiel zur Drossel-und Kondensatorberechnung Tabellen zu den Nomogrammen im Beiheft Technisch-wirtschaftliche Gesichtspunkte bei Entwicklung und Fertigung am Beispiel eines 40 W-Durchflußwandler-Schaltnetzteils 377 H. W. Lütjens 11.1 Vorgabedaten Wandlertyp und Systemaufbau der Schaltung Dimensionierung des Schaltnetzteils Ausgangsgleichrichter, Speicherdrossel, Ausgangskondensator und Beschaltung Hilfsspannungsversorgung Stromregler, Spannungsregler und geschaltete Vorlast Transformator und Schaltstufe Steuerung auf der Primärseite Netzgleichrichtung und Entstörfilter Überspannungsabschaltung Netzausfallsignalgewinnung Gesamtschaltung Testen und Korrigieren am Versuchsauf bau Meßergebnisse 416

8 12 Dimensionierung eines 240 W-Durchflußwandler-Schaltnetzteils H. Houkes Anforderungen 12.2 Auswahl des Wandlerprinzips 12.3 Gleichspannungsbereich am Eingang 12.4 Brückengleichrichter 12.5 Ausgangstransformator Entwurfsgesichtspunkte Vorauswahl des Transformatorkerns Berechnung der Wicklungen Primärinduktivität und Magnetisierungsstrom Verluste 12.6 Speicherdrossel L Berechnung der Induktivität Wahl des Drosselkerns Wicklung der Drosselspule Verluste der Speicherdrossel 12.7 Ausgangskondensator C Entwurfsgesichtspunkte Ausgangswelligkeit, Maximalwert von R c und L c Maximalwert von C Wahl des Kondensators 12.8 Hochvolt-Transistor Wahl des Hochvolt-Schalttransistors Transistor-Treiberschaltung Einhaltung der SOAR-Grenzen Kühlung 12.9 Ausgangsdioden Wahl der Ausgangsdioden Kühlung Dämpfungsglied Regelung Regelschaltung Regelung der Ausgangsspannung Uberstromschutz und Regelung des Ausgangsstroms Verhalten bei Lastsprüngen Wirkungsgrad Funkentstörung

9 13 Beispiele für Schaltnetzteile H. Houkes Auswahl des Schalttransistors Maximale Sperrspannung L7 CEM Maximal ausnutzbarer Kollektorstrom I c sat Basisansteuerung und Kollektorverlustleistung Dimensionierungsschritte 12 W-Trapez-Sperrwandler Entwurfsgesichtspunkte Schaltungsbeschreibung Steuerung des Ausgangstransistors Transformator Kühlung Meßergebnisse Betriebswerte 50 W-Trapez-Sperrwandler mit einem sekundarseitigen 5 V-Durchflußwandler Entwurfsgesichtspunkte Schaltungsbeschreibung Steuerung d$s Ausgangstransistors T 2 Transformatoren und Drosselspulen Kühlung Meßergebnisse 150 W-Schaltnetzteil für eine 24 V-Halogenlampe Entwurfsgesichtspunkte Schaltungsbeschreibung Steuerung des Ausgangstransistors Transformator Kühlung Meßergebnisse 2 kw-durchflußwandler mit 380 V-Dreiphaseneingang Entwu rfsgesichtspu nkte Schaltungsbeschreibung Steuerung der Ausgangstransistoren Transformatoren und Drosseln Kühlung Meßergebnisse Literaturhinweise 505 Stichwortverzeichnis 510