Schaltnetzteile. Grundlagen - Entwurf - Schaltungsbeispiele. Joachim Wüstehube (Hrsg.) Autoren: Wim Hetterscheid

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1 Schaltnetzteile Grundlagen - Entwurf - Schaltungsbeispiele 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. 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 Dr.-Ing. Wilfried J. Bartz Technische Akademie Esslingen Fort- und Weiterbildungszentrum Ing. grad. Elmar Wippler expert-verlag 7031 Grafenau 1/Württ.

2 Inhaltsverzeichnis Zu diesem Buch gehört ein Beiheft mit Nomogrammen Wichtige Formelzeichen Eigenschaften und Arbeitsprinzipien von Schaltnetzteilen J. Wüstehube Einleitung Grundtypen von Gleichspannungswandlern Sperrwandler Durchflußwandler Gegentaktwandler G leichspannungswandler-varianten Vergleich der Wandlerschaltungen, Auswahlkriterien Schaltnetzteile mit Durchflußwandler 41 C. van Velthooven, W. Hetterscheid Der Durchflußwandler 41 Kontinuierlicher Strom durch die Speicherdrossel 43 Unterbrochener Strom durch die Speicherdrossel 44 Der Doppel-Durchflußwandler 47 Einfluß der Speicherdrossel und des Ausgangskondensators auf das Verhalten des Wandlers 50 Grenz-Ausgangsstrom / 50 Erholzeit t H 50 Spannungsschwankung AU Q max 50 Ausgangswelligkeit U w s 51 Die Netzgleichrichtung 51 Der Ladekondensator 51 Grenzen der Eingangsspannung, Variation der Ausgangsspannung 53

3 2.5 Bemerkungen zur Steuerschaltung Die Ausgangswelligkeit Laständerungen Erholzeit Der Ausgangskondensator Der Magnetisierungsstrom des Transformators Berücksichtigung parasitärer Widerstände und Induktivitäten Der verlustbehaftete Durchflußwandler Effektives Tastverhältnis Die Speicherdrossel Induktivität Der Drossel-Entwurfsparameter e Kerne aus Ferroxcube 3C Dimensionierungshinweise Verluste und Temperaturerhöhung Der Transformator Der Magnetisierungsstrom Das Kernvolumen Entwurfsschritte Dimensionierungshinweise ' Verluste und Temperaturerhöhung Der Hochvolt-Schalttransistor Die Basisansteuerung DieSchutzbeschaltung Die Dioden auf der Sekundärseite Auswahl der geeigneten Diode Der Strom durch die Dioden Der Ausgangskondensator Schaltnetzteile mit Sperrwandler R. Ranfft Einleitung Der ideale Sperrwandler 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 13g 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 Regel Schaltung Sekundärseitige Regelschaltung Netztrennung innerhalb der Regelstrecke Integration der Regelschaltung Steuer- und Regelschaltung TDA Allgemeines Beschreibung der Schaltung Gegentaktausgang 197

5 6 Regelung F.. Ranfft 6.1 Einleitung 6.2 Erfassung der Regelabweichung 6.3 Die Regelung des Sperrwandlers 6.4 Die Regelung des Durchflußwandlers Schnelle Hochvolttransistoren 213 R. Braukmeier 7.1 Einleitung Anforderungen an den Schalttransistor in Schaltnetzgeräten Spannungsfestigkeit Schaltverhalten 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 U CE wa Stromverstärkung B Speicherzeit Sperrspannungen tv CES M, U CE Eigenschaften praktischer Transistoren Abhängigkeit von der Kristallgröße Einsatzbereich der Schaltnetzgeräte und Einfluß auf das Transistor-Typenspektrum Praxisnahe Publikationsdaten Zuverlässigkeit SOAR Sicherer Arbeitsbereich für Transistoren J. Wüstehube Einleitung Verhalten der Transistoren in der Umgebung der SOAR-Grenzen

6 Durchbruchverhalten Verlustleistung und Sperrschichttemperatur Kollektorstrom Randbedingungen für die Festlegung von Arbeitsbereichgrenzen Betrieb unterhalb und oberhalb von 7 CE o max Zeitlich konstante und pulsförmige Belastung SOAR-Grenzen sind absolute Grenzwerte Arbeitsbereich bei beliebigem Basisabschluß O Zeitlich konstante Belastung Pulsförmige Belastung Arbeitsbereiche für U CE > U CB 0 max Beispiel für die Ausnutzung von Arbeitsbereichen bei CEcEOmax Wärmeabfuhr Thermische Ersatzschaltung Maximal zulässiger Wärmewiderstand /? th K Übergangs-Wärmewiderstand/? th G/K Kühlkörper Anhang A 1 A2 A3 A 4 A 5 Entstehung des zweiten Durchbruchs Zweiter Durchbruch unter- und oberhalb von U CE rjmax Maßnahmen des Herstellers Festlegen von Arbeitsbereichgrenzen für den zweiten Durchbruch Arbeitsflußdiagramm: Auswahl und Sicherung von Transistoren Schaltverhalten von Hochvolttransistoren 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 9.4 Oszillogrammo 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 Beschattung 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 421 H. Houkes 12.1 Anforderungen Auswahl des Wandlerprinzips Gleichspannungsbereich am Eingang Brückengleichrichter Ausgangstransformator Entwurfsgesichtspunkte Vorauswahl des Transformatorkerns Berechnung der Wicklungen Primärinduktivität und Magnetisierungsstrom Verluste Speicherdrossel L o Berechnung der Induktivität Wahl des Drosselkerns Wicklung der Drosselspule Verluste der Speicherdrossel Ausgangskondensator C o Entwurfsgesichtspunkte Ausgangswelligkeit, Maximalwert von R c und L c Maximalwert von C o Wahl des Kondensators Hochvolt-Transistor 43g Wahl des Hochvolt-Schalttransistors Transistor-Treiberschaltung Einhaltung der SOAR-Grenzen Kühlung Ausgangsdioden Wahl der Ausgangsdioden Kühlung Dämpfungsglied Regelung Regelschaltung Regelung der Ausgangsspannung Überstromschutz und Regelung des Ausgangsstroms Verhalten bei Lastsprüngen Wirkungsgrad Funkentstörung 458

9 13 Beispiele für Schaltnetzteile H. Houkes f 13.1 Auswahl des Schalttransistors Maximale Sperrspannung t7 CEM Maximal ausnutzbarer Kollektorstrom / c sgt Basisansteuerung und Kollektorverlustleistung Dimensionierungsschritte W-Trapez-Sperrwandler s Entwurfsgesichtspunkte ; Schaltungsbeschreibung i Steuerung des Ausgangstransistors j Transformator Kühlung I Meßergebnisse I Betriebswerte W-Trapez-Sperrwandler mit einem sekundärseitigen 1 5 V-Durchflußwandler Entwurfsgesichtspunkte I Schaltungsbeschreibung Steuerung d^s Ausgangstransistors T Transformatoren und Drosselspulen Kühlung Meßergebnisse W-Schaltnetzteil für eine 24 V-Halogenlampe Entwurfsgesichtspunkte Schaltungsbeschreibung Steuerung des Ausgangstransistors Transformator Kühlung Meßergebnisse i kw-durchflußwandler mit 380 V-Dreiphaseneingang Entwurfsgesichtspunkte Schaltungsbeschreibung Steuerung der Ausgangstransistoren Transformatoren und Drosseln Kühlung Meßergebnisse Literaturhinweise Stichwortverzeichnis

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