Definition Was ist ein DC/DC-Wandler?

Zur effizienten Spannungsumwandlung von Verbrauchern gehören DC/DC-Wandler als Kernkomponente in jedes Schaltnetzteil. Welche Aufgabe übernehmen DC/DC-Wandler, wie sind sie aufgebaut und wie funktionieren sie? Diese und weitere Fragen beantwortet dieser Beitrag.

Ein DC/DC-Wandler ist eine elektronische Schaltung, die eine am Eingang anliegende Gleichspannung (DC-Spannung, Direct Current) in eine andere DC-Spannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem (umgekehrtem) Spannungsniveau umwandelt – eine Schlüsseltechnologie, auf die in sehr vielen Bereichen nicht verzichtet werden kann. DC/DC-Wandler begegnen uns daher im wahrsten Sinne des Wortes auf Schritt und Tritt. Nur zwei Beispiele:

• Die meisten Smartphones nutzen Lithium-Ionen-Akkus zur Stromversorgung mit einer Ausgangsspannung von 3,7 V. Die vielzähligen ICs (Halbleiterbauelemente, die eine Vielzahl an Komponenten wie Transistoren, Dioden, Kondensatoren und Widerstände auf einem kompakten Bauteil kombinieren) in Smartphones haben unterschiedliche Funktionen und arbeiten mit unterschiedlichen Spannungsniveaus. Zu den gängigsten Spannungen gehören 1,8 V, 3,3 V und 5,0 V. DC/DC-Wandler sorgen in Smartphones dafür, dass die 3,7-V-Ausgangsspannung in die jeweils erforderlichen Spannungen der verschiedenen ICs umgesetzt wird, egal, ob diese über oder unter der Nennausgangsspannung des Lithium-Ionen-Akkus liegt.

• Auch in USB-Powerbanks, mit denen unterwegs mobile Geräte wie Smartphones, Tabletts oder Laptops aufgeladen werden können, kommen Lithium-Ionen-Akkus mit einer Spannung von 3,7 V zum Einsatz. Ein in der Powerbank integrierter DC/DC-Wandler erhöht diese Spannung auf eine Standard-USB-Ausgangspannung von 5 V, sodass sich eine Vielzahl an Geräten ohne Aufwand aufladen lassen.

Definition

Was ist ein Lithium-Ionen-Akku?

Wie funktionieren DC/DC-Wandler?

DC/DC-Wandler haben einen periodisch arbeitenden elektronisch Schalter, in den meisten Fällen MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, englisch: metal-oxide-semiconductor field-effect transistor). Das Reglerprinzip des Schalters erzeugt eine pulsierende Spannung, die sich hervorragend für die sogenannte Pulsweitenmodulation (PWM) eignet: Bei einer Pulsweitenmodulation wechselt ein Signal in regelmäßigen Abständen zwischen einem Ein-Zustand (z. B. 5 V) und einem Aus-Zustand (z. B. 0 V). Das Verhältnis zwischen der Dauer des eingeschalteten Signals und der Gesamtperiode des Signals wird als Tastverhältnis bezeichnet. Ein Tastverhältnis von beispielsweise 50 Prozent bedeutet demnach, dass am Ausgang für die halbe Periode 5 V und für die andere Periodenhälfte 0 V anliegen. Das Tastverhältnis ist somit entscheidend für die durchschnittliche Spannung, die ein DC/DC-Wandler über einen Schaltzyklus liefert. In diesem Beispiel sind es 2,5 V.

Weil sich eine pulsierende Spannung in der Praxis zumeist nur sehr begrenzt einsetzen lässt, sorgen Kondensatoren und Induktivitäten für eine Glättung des Signals und damit eine stabile DC-Spannung an einem Ausgang eines Wandlers.

Welche Arten von DC/DC-Wandlern gibt es?

Die Antwort: viele. Und alle unterscheiden sich primär nach ihrer Funktion und Topologie. Bevor auf die Funktionen von DC/DC-Wandlern eingegangen wird, zunächst zum Begriff Topologie. Was bedeutet er konkret im Zusammenhang mit DC/DC-Wandlern?

Die Topologie eines DC/DC-Wandlers bezieht sich immer auf die Anordnung der Schaltung und der Konfiguration einzelner Bauteile im Inneren des Gerätes wie beispielsweise Dioden, Transistoren, Induktivitäten und Kapazitäten. Die Topologie bestimmt daher die Eigenschaften und Funktion eines DC/DC-Wandlers u. a. im Hinblick auf die Wandlungsrichtung der Spannung (Auf-, Abwärts oder beides), der Möglichkeit einer galvanischen Trennung zwischen Ein- und Ausgang sowie dem Wirkungsgrad und der Verlustleistung.

Im Allgemeinen kann vor diesem Hintergrund differenziert werden zwischen

• galvanisch getrennten (isolierten) Topologien – galvanisch getrennte DC/DC-Wandler haben einen Transformator oder eine gekoppelte Induktivität (zwei oder mehrere magnetische Spulen auf einem gemeinsamen Kern), die eine galvanische Trennung zwischen dem Eingangs- und Ausgangskreis sicherstellen. Es besteht somit keine elektrische Verbindung zwischen den Kreisen. Die galvanische Trennung bietet eine elektrische Isolationsbarriere, um Störungen und Rauschen zwischen dem Ein- und Ausgang zu unterdrücken. Isolierte DC/DC-Wandler sind in der Lage, eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die höher ist als die Eingangsspannung (Aufwärtswandler). Solche Wandler eignen sich generell für Anwendungen, die aus Sicherheitsgründen eine Potentialtrennung oder die Vermeidung von Masseschleifen erfordern.

• nicht galvanisch getrennten (nicht-isolierten) Topologien – nicht-galvanisch getrennte DC/DC-Wandler verfügen über eine direkte elektrische Verbindung zwischen Ein- und Ausgangskreis und haben daher keine Isolationsbarriere. Die Wandler sind im Vergleich zu isolierten DC/DC-Wandlern einfacher und kompakter aufgebaut. Nicht-galvanisch getrennte DC/DC-Wandler bieten in der Regel eine höhere Effizienz und geringere Verlustleistung als ihre isolierten Pendants. Nicht-isolierte Wandler können eine Ausgangsspannung erzeugen, die niedriger ist als die Eingangsspannung. Im Allgemeinen eignen sich diese Wandler für alle Anwendungen, bei denen keine Potentialtrennung notwendig ist.

• getrennten Topologien

Wie fast immer hängt die Wahl zwischen einem isolierten und nicht-isolierten DC/DC-Wandler von den Anforderungen des jeweiligen Einsatzfeldes ab (Potentialtrennung, Niveau der Ausgangsspannung und nicht zuletzt Platzbedarf und Kosten).

Welche Typen von DC/DC-Wandlern gibt es für isolierte und nicht-isolierte Topologien?

In den folgenden Beschreibungen zu verschiedenen Wandlertypen handelt es sich um eine beispielhafte Auswahl, wobei kein Anspruch auf Vollständigkeit erhoben wird.

Gleichstrom

Effizienter unter Strom stehen

DC/DC-Wandler mit isolierten Topologien

• Vorwärtswandler – der Vorwärtswandler zählt zur Kategorie der hart schaltenden DC/DC-Wandler. Er basiert auf dem Prinzip der Energieübertragung während der Einschaltphase des Schaltelements. Zum Basisaufbau von Vorwärtswandlern gehören ein Transformator, ein Schalttransistor auf der Primärseite (Eingangsbereich), zumeist ein MOSFET, eine Gleichrichterdiode und Freilaufdiode auf der Sekundärseite (Ausgangsbereich), eine Ausgangsdrossel sowie ein Glättungskondensator.

• Flyback-Wandler – Ein Fly-Back-Wandler ist vom Buck-Boost-Wandler (s. u.) bzw. Inverswandler abgeleitet und kann sowohl eine höhere als auch niedrigere Ausgangsspannung als die Eingangsspannung erzeugen. Fly-Back-Wandler haben einen Transformator zur Energieübertragung und -speicherung. Genauer handelt es sich hierbei um gekoppelte Speicherdrosseln. Während der Einschaltzeit des Schalters auf der Primärseite wird die Energie im Transformatorkern gespeichert. In der Sperrphase, bei der der Schalter geöffnet ist, wird die gespeicherte Energie auf die Sekundärseite (Ausgang) übertragen. Fly-Back-Wandler sind zumeist in Anwendungen zu finden, die eine Leistung < 300 W erfordern.
  
  Inverswandler liefern mittels Speicherdrossel eine zur Eingangsspannung umgekehrte Ausgangsspannung, die ebenfalls höher oder niedriger als die Eingangsspannung sein kann.

• Halbbrücken- sowie Vollbrückenwandler – Halbbrücken- und Vollbrückenwandler werden meist in Anwendungen eingesetzt, die eine höhere Leistung erfordern.
  
  
  Halbbrückenleiter benötigen jedoch einen hochspannungsseitigen Treiber für einen der beiden Schalter auf der Primärseite (zumeist MOSFETs). Weiterhin haben diese Wandler zwei Kondensatoren zur Spannungsteilung und einen Transformator zur galvanischen Trennung.
  
  
  Vollbrückenwandler verfügen auf der Primärseite über vier Schalter und einen Transformator zur galvanischen Trennung. Diese Wandler eignen sich besonders für Anwendungen, die eine sehr hohe Leistung erfordern und in denen Halbbrückenwandler aufgrund der Anforderungen nicht einsetzbar sind.

Statement

„Industrielle Gleichstromnetze benötigen neue Schutzkonzepte“

DC/DC-Wandler mit nicht-isolierten Topologien

• Abwärtswandler (Buck Converter) – Abwärtswandler wandeln die Eingangsspannung in eine niedrigere, geregelte Ausgangsspannung. Dies geschieht durch das Öffnen und Schließen eines Schaltelements (meist ein Transistor), wodurch die Eingangsspannung in eine rechteckige Wechselspannung und anschließend durch Filterung (in der Regel durch eine Kombination aus Induktivität und Kapazität) in eine Gleichspannung mit niedrigerem Spannungsniveau umgewandelt wird. Abwärtswandler werden u.a. in Mikroprozessoren und Steuerungssystemen eingesetzt und können einen Wirkungsgrad über 95 Prozent erzielen.

• Aufwärtswandler (Boost Converter): Aufwärtswandler (Boost Converter) wandeln eine niedrigere Eingangsspannung in eine höhere Ausgangsspannung. Dies geschieht, wie beim Abwärtswandler, durch das periodische Öffnen und Schließen eines Schaltelements (Transistor). Ist der Schalter geschlossen, fließt Strom durch eine Induktivität und speichert die Energie. Beim Öffnen des Schalters wird diese Energie in einen Ausgangskondensator übertragen, wodurch sich die Ausgangsspannung erhöht. Aufwärtswandler sind zumeist in LED-Treibern oder Anwendungen mit Solarzellen zu finden.

• Buck-Boost-Wandler: Buck-Boost Wandler wandeln eine Eingangsspannung entweder in eine höhere oder niedrigere Ausgangsspannung und kombinieren somit gewissermaßen die Funktionen von Abwärts- und Aufwärtswandlern. Buck-Boost-Wandler bestehen aus einem Schaltelement (meist MOSFET), einer Induktivität, einer Diode und einem Ausgangskondensator. Die Funktionsweise erfolgt pro Schaltzyklus zweiphasig: In der Einschaltphase ist der Schalter geschlossen, wobei der Strom durch eine Induktivität fließt und die Energie gespeichert wird. Der Ausgangskondensator versorgt schließlich die Last. Öffnet sich der Schalter, fließt die Energie über die Diode zum Ausgang, wodurch der Ausgangskondensator aufgeladen wird. Das Verhältnis von Ausgangs- und Eingangsspannung wird durch das bereits zu Beginn des Beitrags erklärte Tastverhältnis des Schaltelements gesteuert. Buck-Boost-Wandler eignen sich vor allem für Anwendungen mit variablen Eingangsspannungen und werden u. a. in Systemen mit schwankender Batteriespannung, zu Spannungsstabilisierung in Solarzellenanwendungen und in Applikationen eingesetzt, die eine flexible Spannungsanpassung erfordern.

• SEPIC- und Ćuk-Wandler:
  – Ein SEPIC-Wandler (Single Ended Primary Inductance Converter) ist in der Lage, die Eingangsseite auf der Sekundärseite zu erhöhen oder zu verringern. Die Spannung kann am Ausgang somit größer, kleiner oder gleich der Eingangsspannung sein. Ein SEPIC-Wandler integriert zwei Spulen, einen Koppelkondensator, einen Schalter (meist MOSFET) und eine Diode. Die Spulen können als zwei voneinander getrennte Induktivitäten oder als gekoppelte Induktivität auf einem gemeinsamen Kern ausgeführt werden. Der SEPIC-Wandler werden häufig dort eingesetzt, wo die Eingangsspannung stark schwanken kann, z. B. in der Automobilelektronik oder bei Batteriesystemen.

• – Ein Ćuk-Wandler kann ähnlich wie ein SEPIC-Wandler eine Eingangsspannung sowohl erhöhen als auch senken. Im Gegensatz zu SEPIC-Wandlern liefern der Ćuk-Wandler eine invertierte Ausgangsspannung. Das bedeutet, dass die Polarität der Ausgangsspannung sich umgekehrt zur Eingangsspannung verhält. Ćuk-Wandler verwenden zwei Spulen und einen Kondensator, also drei aktive Energiespeicher. Die Schaltung besteht aus Halbleiterschaltern, die die Energiespeicher kontinuierlich laden und entladen.
  Ćuk-Schalter eignen sich besonders für Geräte mit Akkus. Darüber hinaus lassen sich Ćuk-Wandler in Systeme mit schwankenden Batteriespannungen und in empfindlichen Geräten einsetzen, die eine saubere Versorgungsspannung benötigen.

Anbieter von DC/DC-Wandlern

• Actron

• Atech Antriebstechnik für Elektrofahrzeuge

• Deutronic Elektronik

• Farnell

• FEAS

• Gustav Klein

• HN Electronic

• Iseg

• KS Schneider Elektronik

• LTN Servotechnik

• Mouser Electronics

• Querom

• Recom Power

• Samlex

• Schäfer Elektronik

• Schukat

• Statron Gerätetechnik

• TDK-Lambda

• Weidmüller

• Würth Elektronik

• Wunderlich Elektronik

Bei der Aufzählung handelt es sich um einen Auszug ohne Anspruch auf Vollständigkeit.

Quellen: Wikipedia; Cui Inc; Conrad; Heinen Elektronik; Querom; Schukat; Würth Elektronik; Atech Antriebstechnik; Bicker; Recom; IBV Becker+Kraus; Fraunhofer IISB; Mikrocontroller.net

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