LLC-Resonanzwandler: Ein neues Schaltprinzip für PC-Netzteile

Seite 3: LLC-Resonanzwandler am Beispiel von Enermax

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Klassische Halbbrücken-Durchflusswandler, wie sie in den meisten PC-Netzteilen bis dato verbaut wurden, liessen sich kaum mehr optimieren. Sie haben ein prinzipbedingtes Problem: Damit der Transformator und die sekundärseitigen Speicherdrosseln und Glättungskondensatoren möglichst klein, leicht und günstig ausfallen, muss die Schaltfrequenz möglichst hoch sein. Eine hohe Frequenz hat allerdings wieder Nachteile beim Transformator und beim primären Schalter. Beim Transformator sind etwa problematisch, dass die Verluste durch die Ummagnetisierung des Transformatorkerns mit der Frequenz zunehmen, sowie Verluste durch die Kapazitäten der Wicklungen entstehen. Beim Schalter liegt das Problem, dass die Verlustleistung praktisch linear mit der Frequenz zunimmt.

Die Verlustleistung am Schalter (Power-MOSFET)
Ist der Schalter ganz geöffnet, fliesst ein hoher Strom, aber über ihm liegt praktisch keine Spannung. Ist der Schalter geschlossen, liegt eine hohe Spannung an aber es fliesst kein Strom. Doch bis der Schalter ganz geöffnet und wieder ganz geschlossen ist, dauert es einige Zeit. Es ensteht eine Flanke, in der sowohl eine Spannung anliegt als auch ein Strom fliesst, Strom mal Spannung ergeben so eine Verlustleistung. Natürlich wurden die Schalter in der Vergangenheit immer weiter verbessert (eigentlich muss ja nur die Schaltgeschwindigkeit erhöht werden), aber es gibt hier physikalische Grenzen, die vorerst unumstösslich scheinen.

LLC-Resonanzwandler
Anstatt sich ob der Unmöglichkeit, die Schaltgeschwindigkeit zu erhöhen, die Zähne auszubeissen, kann das Problem auch einfach umschifft werden. Eine Möglichkeit dazu ist eigentlich schon seit Jahrzehnten bekannt: LLC-Resonanzwandler. Hierbei wird primärseitig ein Serie-Schwingkreis aus dem Transformator und einem zusätzlichen Kondensator zusammen geschaltet, der anstelle von Rechteckimpulsen eine sinusförmige Welle erzeugt (Mit LLC ist gemeint: Erstes L die Magnetisierungsinduktivität des Transformators, zweites L die Streuinduktivität des Transformators, C die Kapazität des zusätzlichen Kondensators). Der Schwingkreis gibt also die Transformatorfrequenz schon fast alleine vor, zwei Schalter führen lediglich die Energie zu damit das ganze am Laufen bleibt. Der Clou ist nun, das die Schalter in einem Resonanzwandler nicht dann schalten (müssen), wenn die Spannung über den Schaltern hoch ist, sondern sie können in einem Moment schalten, wo die Spannungsdifferenz gegen Null geht (Zero-Voltage-Switching) und somit auch (fast) gar keine Verlustleistung anfallen kann. Zudem haben die Resonanzwandler noch den angenehmen Nebeneffekt, das wie erwähnt eine annähernd sinusförmige Spannung entsteht und sekundärseitig mittels Zweiweg-Gleichrichtung gleichgerichtet werden kann, ähnlich wie beim linear geregelten Netzteil. Dadurch entfallen - wie bei den alten Sperrwandlern - die sekundärseitigen Speicherdrosseln und auch die Glättungskondensatoren können theoretisch etwas kleiner ausfallen.

 
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Die Sache mit der Last
Resonanzwandler sind der Industrie grundsätzlich wie beschrieben schon länger bekannt. Auch in Computer-Bildschirmen werden sie schon länger verbaut. Aber es gibt einen Grund, wieso sie bisher in PC-Netzteilen noch nicht eingesetzt wurden: Nach diesem Prinzip liessen sich bisher kaum dynamische Lasten betreiben! Ein Netzteil in einem LCD-Bildschirm, das für 40W ausgelegt ist, wird auch immer nur mit 40W Last betrieben. Ein PC-Netzteil, das für 500W ausgelegt ist, muss hingegen im gesamten Bereicht von 0W-500W Last zuverlässig laufen. Das lässt sich nicht so einfach mit Resonanzwandlern realisieren. Denn wie reagierte ein Netzteil nach herkömmlicher Technik auf eine Laständerung? Es ändert die Pulsbreite und die Frequenz. Üblicherweise wurde bei steigender Last die Frequenz herab gesetzt. Ein Resonanzwandler hat aber eine feste Resonanzfrequenz, die sich nicht ohne weiteres herunter setzen lässt. Im Gegenteil: da der Transformator Teil des Schwingkreises ist, und die Induktivität bei steigender Belastung abnimmt, würde die Resonanzfrequenz sogar ansteigen! Somit liesse sich das Netzteil nur über die Pulsbreite und möglicherweise nicht ausreichend an eine veränderliche Last anpassen.

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Die Lösung von Seasonic und der zusätzliche Kniff von Enermax
Seasonic hat den Resaonanzwandler zuerst ins PC-Netzteil portiert. Dazu haben sie sich folgendes einfallen lassen: Eine zusätzliche Spule wird bei Bedarf dem Schwingkreis zugeschaltet (Damit wäre das dann eigentlich ein LLLC-Resonanzwandler). Im Bild oben (von Enermax) ist diese Spule übrigens mit A gekennzeichnet. Damit lässt sich bei hoher Last der Induktivitätsverlust des Transformators nicht nur kompensieren, sondern die Resonanzfrequenz sogar absenken. Vom Prinzip her ist das eine sehr einfache und naheliegende Lösung, die allerdings umso schwieriger umzusetzen gewesen sein dürfte, denn das IC muss mehrere Dinge miteinander peinlich genau koordinieren, damit das zuverlässig funktioniert, sobald die Frequenz (wahrscheinlich in einem Bruchteil eines Taktes, also in Mikrosekunden) umgeschaltet ist, muss für den nächsten Takt auch sogleich die Periodendauer angepasst werden, damit keine Peaks bzw. Drops entstehen. Das ganze Umschalten muss auch noch "intelligent" geschehen, mit einem gewissen Toleranzbereich, damit nicht ständig hin- und her geschaltet wird (ähnlich wie beim Gangschalten beim Autofahren). Insgesamt stehen so drei verschiedene Frequenzen und damit drei der Leistung angepasste Stufen (bleiben wir beim Vergleich mit dem Auto und sagen wir Gänge) zur Verfügung, innerhalb derer dann die Pulsbreitenmodulation fein regeln kann (ähnlich wie das Gaspedal)
Enermax hat diese Technik soweit übernommen aber noch etwas drauf gesetzt. Die Aufstockschaltung des Aktiv-PFC gibt üblicherweise eine Spannung um die 380V aus. Um bei geringer Last mit dem Resonanzwandler besser über die Runden zu kommen, hat Enermax die Aktiv-PFC-Schaltung so angepasst, dass sie die Spannung auch auf ca. 340V absenken kann. Dies ist also so etwas wie eine zusätzliche Untersetzung. Vorausgesetzt, die beiden Techniken lassen sich frei und ohne weitere Probleme kombinieren (was aus den Unterlagen von Enermax nicht klar hervorgeht) hätte Enermax damit ein 6-Gang-Getriebe im Netzteil.
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