Power & Leistungselektronik Offline-Wandler mit Speicherdrosseln

Die Mehrzahl der AC-Offline-Wandler und Schaltwandler, die mit gefährlichen Spannungen von über 60 VDC betrieben werden, bieten aus Sicherheitsgründen eine galvanische Trennung. Doch gibt es auch zahlreiche Anwendungen, bei denen nichtisolierte Schaltungen verwendet werden können.

Dort, wo Benutzer und Wartungspersonal mechanisch vor einem Kontakt mit gefährlichen Spannungen geschützt sind oder sowohl Eingangs- als auch Ausgangsspannung sich auf der Primärseite eines isolierten Wandlers befinden, sind Buck- und Buckboost-Wandler häufig effizienter, benötigen weniger Leiterplattenfläche und kosten in der Implementierung weniger als Sperrwandler.

Drei allgemeine Topologien

Die Abbildungen 1a bis 1c zeigen drei Topologien, bei denen herkömmliche Speicherdrosseln zur Energiespeicherung in Offline-Schaltungen bei universeller AC-Eingangsspannung (85 bis 265 VAC) beziehungsweise europäischer Netzspannung (195 bis 265 VAC) zum Einsatz kommen. Hierbei nähert sich die Spitzengleichspannung nach der Gleichrichtung einem Wert von 400 V_DC an.

Anders als bei zum Filtern verwendeten Drosseln, sehen die Speicherdrosseln in diesen drei Schaltungen Differenzspannungen vor, die der Größenordnung der Spitzeneingangsspannung entsprechen oder diese sogar übertreffen. Abbildung 1a zeigt einen Standard-Buck-Wandler mit einem Einweggleichrichter, der die Verwendung des Nullleiters der AC-Eingangsleitung als Bezugserde verwendet.

Die Ausgangsspannung V_Out und die Eingangsspannung verwenden wie bei nichtisolierten Gleichspannungswandlern und niedrigen Spannungen üblich, dieselbe Bezugserde. Dies macht diese Schaltung ideal für die Erzeugung von Betriebsspannungen für ICs, die auf der Primärseite eines AC/DC-Wandlers massebezogen sind; dies gilt für analoge Schaltungen wie Netzteilsteuerungen und Gate-Treiber ebenso wie für Mikrocontroller und Interfaceschaltungen. Der wesentliche Nachteil eines normalen Buck-Wandlers, der bei 400 VDC betrieben werden kann, besteht darin, dass der Steuerschalter potenzialfrei ist („in the high side“).

Abbildung 1b zeigt eine alternative Buck-Wandlertopologie, bei der der Steuerschalter massebezogen ist. Grundsätzlich ist diese Topologie aufgrund des leichteren Antriebs eines massebezogenen N-MOSFET-Schalters einfacher zu implementieren. Es können dieselben kombinierten Steuer- und HV-MOSFET-Geräte verwendet werden, von denen einige eine Eingangsspannung von 400 VDC direkt bewältigen können, während andere eine Niederspannungsversorgung für ihre Steuerbereiche benötigen, die sich normalerweise im Bereich zwischen 12 und 24 VDC bewegt und mit einem diskreten Linearregler erzeugt wird. Abbildung 1c zeigt einen Buckboost-Wandler, der eine negative Ausgangsspannung bezogen auf die negative Eingangsschiene entwickelt. Typische Anwendungen für eine solche Topologie sind etwa negative Spannungen für den Betrieb von Operationsverstärkern und auch für die Steuerung von Triacs, mit denen die Netzspannung bei Schaltungen auf der Primärseite ein- oder ausgeschaltet
werden.

Zwei Details, die bei Buckboost-Wandlerschaltungen Aufmerksamkeit beanspruchen, sind die zusätzliche Spannungsbeanspruchung in MOSFET, Ausgangsdiode und Spule in einer Größenordnung von V_INPK + |V_O| und zudem der unstetige hohe Effektivstrom am Ausgangskondensator, der dem am Ausgang in einem Sperrwandler ähnelt.

Kriech- und Luftstrecke

Sicherheitsstandards wie IEC-60950 sind in ihren Aussagen zu Luft- und Kriechstrecken zwischen isolierten Primär- und Sekundärschaltungen, zwischen dem Netzspannungs- und dem Neutralleiter und zwischen diesen Punkten und der Schutzerdung ziemlich eindeutig. In Bezug auf andere Spannungen sind die meisten Standards schwieriger zu interpretieren, beispielsweise bei den positiven und negativen Ausgängen eines Diodengleichrichters, die die Eingangsspannung von AC-Offline-Schaltungen bilden. Die Isolierungskategorie für Spannungsknoten in nichtisolierten Schaltungen ist die Funktionstrennung, das heißt, der Abstand zwischen den Knoten ist stets ausreichend groß, um eine ordnungsgemäße Funktion zu gewährleisten. Eine gängige Vorgehensweise zum Festlegen von Richtlinien für das Leiterplattenlayout und zum Bewerten des physischen Aufbaus einer Speicherdrossel besteht darin, einen Einschwing-Spannungstest durchzuführen und zu kontrollieren.

Beispielsweise wird bei IEC-60950-kompatiblen Geräten, die mit Spannungen bis zu 300 VAC_eff betrieben werden, mit 1.500-VDC-Impulsen getestet, wenn es sich um Klasse-1-Geräte mit Schutzerde handelt, oder mit 2.500 VDC bei Klasse-2-Geräten ohne Schutzerde. 300 V_ACeff schließt die Mehrzahl der AC- und HVDC-Anwendungen ein, bei denen nichtisolierte Buck- und Buckboost-Wandler mit niedriger Leistungsaufnahme verwendet werden.

Ein Durchschlag zwischen Leiterplatten lässt sich in den meisten Feuchtigkeits-, und Verunreinigungsklassen vermeiden, wenn eine Luftstrecke von 1 mm je 1.600 VDC eingehalten wird – dies wird von den Underwriters Laboratories (UL) auch empfohlen.

Mindestens 1,6 Millimeter Abstand

Zahlreiche Netzteilkonstruktionen verwenden Klasse-2-Bewertungen der Kriech- und Luftstrecken auch dann, wenn sie aus sicherheitstechnischen Erwägungen eigentlich zur Klasse 1 gehören. Deswegen sollte zur Durchschlagvermeidung bei Einschwing-Spannungstests mit 2.500 VDC ein Abstand von mindestens rund 1,6 mm zwischen den Pads oder Anschlüssen der Spule eingehalten werden.

Bei allen drei in Abbildung 1 gezeigten Topologien ist eine Seite der Spule mit einer festen Spannung verbunden, während die andere Seite häufig als „Schaltknoten“ bezeichnet wird, weil ihre Spannung sich zwischen null und V_IN (beim Buck- beziehungsweise beim potenzialfreien Buck-Wandler) beziehungsweise zwischen null und (V_IN + |V_O|) beim Buckboost-Wandler hin und her schaltet.

Wird ein Abstand von 1,6 mm vom Schaltknoten zu den anderen Knoten in der Schaltung eingehalten, so ist dies nicht nur zur Durchschlagsvermeidung bei Einschwingspannungstests praktisch, sondern reduziert auch die kapazitive Kopplung und ist besonders nützlich zum Verringern von Gleichtaktstörungen, sofern Leiterbahnen oder Lagen mit Erdung auf der Leiterplatte vorhanden sind.

Nennspannung von Speicherdrosseln

Es ist gängige Praxis, Speicherdrosseln derselben Baureihe für Durchsteck- und Oberflächenmontage-Anwendungen sowohl als Energiespeicherelemente in DC/DC-Niederspannungsanwendungen – unter 60 VDC – als auch als Eingangs- und Ausgangsfilter in Offline-Anwendungen einzusetzen. Ein wesentlicher, als auch häufig übersehener Faktor bei diesen beiden Anwendungen besteht in der Nennspannung der Drosseln. Tatsächlich ist die Nennspannung bei der großen Mehrheit aller Speicherdrosseln nicht in den Datenblättern an-
gegeben.

Die Hersteller von hochwertigen Komponenten können diese Angabe auf Anfrage bereitstellen, oder sie geben Informationen zur Stärke der aufgebrachten Lackschicht oder zu anderen Details des mechanischen Aufbaus an. Allerdings ist die Zeit, die für die Berechnung der Spannung benötigt wird, die eine gegebene Drossel aushalten kann, mit den rasanten Konstruktionszyklen unserer Zeit überhaupt nicht in Einklang zu bringen.

Durchbruch des Isolierlacks

Wenn bei der Konstruktion von Schaltungen die Zeit drängt, könnte der Konstrukteur versucht sein, Standardspeicherdrosseln zu verwenden. Abbildung 2 zeigt jedoch die unschönen Folgen, die beim Verwenden solcher Komponenten in HV-Anwendungen auftreten können: Durchbruch des Isolierlacks, Kurzschlüsse zwischen benachbarten Wicklungen – kurz: Ausfälle eines Bauteils, das normalerweise zu den robustesten eines Schaltwandlers gehört.

Eine kurzgeschlossene Drossel – und zwar vor allem eine, bei der es während des Schaltzyklus zu einem Kurzschluss zwischen Netz- und Nullleiter kommt – stellt grundsätzlich ein Sicherheitsrisiko für Bediener und Wartungspersonal dar. Für Stromschläge, Verletzungen oder womöglich sogar Todesfälle, die infolge dessen auftreten, kann der Hersteller des Endproduktes haftbar gemacht werden.

Bei Speicherdrosseln der Baureihen WE-PD HV, WE-PD2 HV und WE-TI HV garantiert Würth Elektronik eiSos gemäß internem Standard 1516 einen ordnungsgemäßen Betrieb bis 400 VDC. Diese Garantie gilt auch noch nach drei Reflow-Vorgängen.