Höheres Vertrauen in den Betrieb von Vollbrückenwandlern während des Entwicklungsprozesses

Ihre Anforderung

Zu Beginn des Entwicklungsprozesses eines Leistungswandlers bieten Simulationen erste Einblicke in das Schaltmuster von komplexen Vollbrückenwandlern mit synchroner Gleichrichtung. Der nächste Schritt ist der Bau des ersten Prototyps mit der gewählten Topologie. Die Validierung des ersten Prototyps ist unerlässlich, um Vertrauen in die Design-Entscheidungen zu gewinnen und besser zu verstehen, wie der Wandler in der Praxis funktioniert. Das Schaltmuster muss validiert werden, bevor der Entwicklungsprozess fortgesetzt wird. Wandler-Designs auf Basis von digitalen Controllern verwenden Software zur Implementierung der Schaltmuster, was die Validierung obligatorisch macht. Ein Vollbrückenwandler besitzt sehr komplexe Schaltzustände, deren vollständige Messung mit einem herkömmlichen 4-Kanal-Oszilloskop nicht möglich ist.

Wenn der Entwickler die Muster nacheinander misst, spiegeln diese Messungen nicht alle Aspekte des Wandlerbetriebs wider. Die sequenzielle Dokumentation ist ebenfalls sehr zeitaufwendig. Ein Gerät, das Messungen an acht Kanälen ermöglicht, könnte weitaus mehr Fehler aufdecken und somit den Entwicklungsprozess beschleunigen.

Lösung von Rohde & Schwarz

Das R&S®MXO 5 Oszilloskopeignet sich perfekt für solche Messungen, da es über acht Kanäle verfügt, die alle relevanten Signale anzeigen, die zur Validierung der Schaltmuster benötigt werden. Das Oszilloskop bietet nicht nur acht Kanäle, sondern auch automatisierte Funktionen, die die Verzögerung zwischen den relevanten Kanälen messen, statistische Werte liefern und eine minimale Totzeit zwischen den Schaltvorgängen sicherstellen. Alle Details der Gate-Source-Spannung können ausgewertet werden, wie z. B. Anstiegs- und Abfallzeiten, Überschwinger oder unerwünschte Schwingungen durch parasitäre Komponenten.

Anwendung

Ein isolierter 100-W-DC/DC-Wandler mit Vollbrückentopologie und synchroner Gleichrichtung wird verwendet, um die Schaltmuster zu messen. Die Leistungsstufe transformiert die Eingangsspannung von 48 V auf eine Ausgangsspannung von 12 V und einen Ausgangsstrom von bis zu 8 A. Der Wandler geht nach Abschluss der Softstart-Sequenz in einen stationären Zustand über, wie in Bild 1 dargestellt.

Gerätekonfiguration

Vor der Startsequenz müssen mehrere Aufgaben erledigt werden:

• Wählen Sie ein geeignetes Kanal-Setup und den richtigen Tastkopf
• Legen Sie einen geeigneten Trigger fest, um den stationären Zustand des Wandlers zu erfassen
• Aktivieren Sie Messfunktionen, einschließlich einer Verzögerung zwischen relevanten Signalen mit der History-Funktion; eine ordnungsgemäße Gate-Definition unterstützt diese Funktion ebenfalls
• Legen Sie eine ausreichende Abtastrate ≥ 1 Gsample zur genauen Messung der PWM-Schaltfrequenz (ca. 100 kHz) mit scharfen Flanken fest
• Legen Sie eine geeignete Aufzeichnungslänge fest, um das Muster zu validieren
• Verwenden Sie einen Wandler mit geeigneter Last und ausreichender DC-Stromversorgung

Messen von Schaltmustern

Schalten Sie nach der Einrichtung das DC-Netzgerät ein, um die Messung zu starten. Sobald der Trigger eine gültige Bedingung erkennt (Trigger auf fallende Flanke), werden die Wellenformen angezeigt (siehe Bild 2). Das linke Fenster zeigt die Spannung und den Strom des Transformators (Primärseite) (CH1, CH2). Die Zustände des Synchrongleichrichters (CH3, CH4) auf der Sekundärseite werden im Fenster oben rechts angezeigt. Alle primären Schaltzustände (CH5 bis CH8) sind im unteren rechten Fenster zu sehen. Im Allgemeinen stimmt die in Bild 1 dargestellte Schaltmustertheorie mit der gemessenen Wellenform in Bild 2 überein – das Schaltmuster hat den Test bestanden.

Neben der Validierung von Mustern sollten auch andere Parameter genauer überprüft werden. Der Synchronschalter muss vor dem Einschalten des Primärzweigs ausgeschaltet werden. Die Messung der minimalen Totzeiten trägt dazu bei, katastrophale Kurzschlüsse im System zu verhindern. Zwei Gate-Funktions-Definitionen ermöglichen es, Verzögerungsmessungen zur Validierung der minimalen Totzeit zwischen allen relevanten Schaltern zu definieren. Die Totzeit-Ergebnisse wurden automatisch gemessen und umfassten statistische Werte sowie die ermittelten Zeiten: TSR1 = 264 ns für den Synchronschalter SR1 und TSR2 = 328 ns für den Synchronschalter SR2.

Weitere automatische Messfunktionen für Anstiegszeiten, Abfallzeiten und andere Parameter sind verfügbar, wurden jedoch in Bild 2 nicht aktiviert. Automatisierte Messungen helfen bei der Validierung all dieser Parameter sowie des allgemeinen Schaltmusters für die Betriebsbedingungen des Wandlers. Die Messungen variieren die Eingangsspannung des Wandlers und den Ausgangsstrom.

Fazit

Das R&S®MXO 5 Oszilloskop mit acht Kanälen eignet sich ideal zur Überprüfung komplexer Schaltmuster in Vollbrückenwandlern. Das Oszilloskop ermöglicht eine tiefergehende Analyse von Wellenformen und ist in einen automatisierten Prozess eingebunden, der Statistiken erzeugt. Dies ist ideal für Entwickler, die an komplexen Wandler-Designs arbeiten, und beschleunigt den Entwicklungsprozess.