LLC-Resonanzwandler erreichen aufgrund sanfter Schaltvorgänge hohe Wirkungsgrade. Allerdings kann sich ein solcher Wandler während der Einschaltphase solange unterschiedlich verhalten, bis der Controller einen eingeschwungenen Zustand erreicht hat. Die Messung von Einschaltstrom und Einschaltdauer stellt sicher, dass diese innerhalb der Normen liegen und mit den Angaben im Datenblatt übereinstimmen.
Die Verifizierung des Verhaltens von Leistungswandlern unter verschiedenen Bedingungen, beispielsweise Lastwechsel und Einschaltvorgänge, ist eine wichtige Aufgabe, um einen zuverlässigen Betrieb in der eigentlichen Anwendung sicherzustellen. Einschaltströme und Einschaltdauer sind kritische Parameter. Falls der Einschaltstrom gewisse Pegel überschreitet, können möglicherweise Sicherungen im Elektroinstallationsnetz auslösen. Die Einschaltdauer ist üblicherweise eine wichtige technische Angabe für einen DC/DC-Wandler.
Die Einschaltdauer eines Leistungswandlers kann typischerweise ziemlich lang sein, oftmals mehrere 100 ms. Man benötigt ein Oszilloskop mit tiefem Speicher, um solche Langzeit-Intervalle zu erfassen und gleichzeitig ausreichend Zeitbereichsauflösung zur Verfügung zu haben, um das Schaltverhalten im Detail zu sehen. Die R&S®RTM3000, R&S®RTA4000, R&S®RTE1000 und R&S®RTO2000 Oszilloskope bieten bis zu 200 Msample oder 1 Gsample an Erfassungsspeicher. In Kombination mit ihrer flexiblen Zoom-Funktionalität und den automatischen Messfunktionen sind sie eine gute Wahl für diese Applikationen. Während die Schaltfrequenzen eines LLC-Resonanzwandlers im Bereich von nur ca. 100 kHz liegen, machen die schnellen Anstiegs-/Abfallzeiten der Schalter eine hohe Messbandbreite erforderlich. Differenzielle Hochspannungstastköpfe wie die R&S®RT-ZHD Tastköpfe bieten Bandbreiten von bis zu 200 MHz, sodass sich diese ideal für diese Art von Applikation eignen. Darüber hinaus verfügen sie unabhängig vom Oszilloskop über einen besonders hohen Gleichspannungs-Offsetbereich, sodass sie besonders nützlich für Messungen der Brummspannung am Zwischenkreis sind.
LLC-Resonanzwandler bestehend aus Stufe für Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und dem eigentlichen LLC-Wandler
Als Messobjekt (DUT) wird ein handelsübliches Netzgerät für industrielle Anwendungen, das von 230 V auf 24 V DC wandelt, verwendet. Der LLC-Wandler besteht aus einer Stufe zur Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und dem eigentlichen LLC-Wandler (siehe Abbildung unten).
Die Messung wird mit einem R&S®RTO2000 Oszilloskop durchgeführt. Die Ergebnisse werden in der Abbildung unten gezeigt. Es kommen zwei R&S®RT-ZHD16 differenzielle Hochspannungstastköpfe zum Einsatz, um VGS und VDS von Q1 (gelb und grün) zu messen. Der Einschaltstrom wird mit einer R&S®RT-ZC20B Stromzange gemessen, die Ausgangsspannung mit einem R&S®RT-ZP10 passiven Tastkopf (orange und blau). Eine elektronische Last regelt die abgegebene Ausgangsleistung. Eine Frequenzmessung von VGS wird lila über die Zeit dargestellt.
Die lange Aufzeichnungsdauer ermöglicht die gleichzeitige Evaluierung des Einschaltverhaltens und des Übergangs in den nicht lückenden Betrieb. Während der Anlaufphase (2) startet der Gate-Treiber bei höheren Frequenzen (dargestellt mit der Track-Funktion in Lila), um die Verstärkung des LLC-Wandlers zu regeln. Allerdings fügt der Controller des Gate-Treibers Lücken ein, die durch eine Schaltfrequenz nahe 0 gekennzeichnet sind. Der Einschaltstrom (orange) wird durch die PFC-Schaltung gesteuert, während die Ausgangsspannung in dieser Phase (4) auf 24 V (blau) hochfährt. Nach der Anlaufphase wird ein eingeschwungener Zustand erreicht. Die Startfrequenz und das Design des Regelkreises beeinflussen die für einen eingeschwungenen Zustand erforderliche Zeit.
Im kontinuierlichen Modus (3), der nach ungefähr 110 ms erreicht wird, zeigt die Frequenz des Totem-Pole-Schaltkreises (Halbbrücke) eine Modulation von 100 Hz. Dies spricht für Schwankungen des Primärgleichrichters im Messobjekt. Während der Entladung des Kondensators in der abfallenden Halbsinuswelle wird dem LLC-Resonanzwandler weniger Spannung zur Verfügung gestellt. Daher muss die Schaltfrequenz angepasst werden, um die Verstärkung der Schaltung zu variieren, sodass eine konstante Gleichspannung am Ausgang des Messobjekts bereitgestellt wird.
Für die Analyse des Einschaltverhaltens von Leistungswandlern benötigt man Oszilloskope mit tiefem Speicher, um die relativ langen Einschaltphasen und Sondierungslösungen für sichere Messungen an hohen Spannungen zu erfassen. Da die Umschaltzeiten oftmals sehr kurz sind, ist die Messbandbreite sehr wichtig. Der Messpunkt für VGS des High-Side-Schalters wird vom Gleichtakt beeinflusst. Differenzielle Hochspannungstastköpfe müssen diesen Effekt über ein gutes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) beseitigen. Mit automatisierten Messfunktionen wird es in Kombination mit der Track-Funktionalität einfacher, einzelne Ereignisse (wie das Einschalten) zu analysieren und „langfristige“ Schwankungen wie die interne Abweichung von 100 Hz aufzudecken.
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