Leibniz Forschungszentrum Energie 2050 Forschung Projekte
Switched-Capacitor-DC/DC-Wandler für Anwendungen kleiner Leistung

Switched-Capacitor-DC/DC-Wandler für Anwendungen kleiner Leistung

Leitung:  Prof. Dr.-Ing. Axel Mertens
Jahr:  2010
Förderung:  Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Laufzeit:  6 bis 12 Jahre
Ist abgeschlossen:  ja

Abb. 1: Ersatzschaltbild eines zweistufigen SC-DC/DC-Wandlers

 

Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 516 „Konstruktion und Fertigung aktiver Mikrosysteme“ wurden mehrere Konzepte für eine energieeffiziente Stromversorgung von Mikrolinearmotoren untersucht. Neben einem hohen Wirkungsgrad soll die Stromversorgung auch kompakt ausgeführt sein. Zu diesem Zweck wurde ein  Switched-Capacitor-(SC)-DC/DC-Wandler verwendet, wodurch keine Drossel erforderlich ist und dieser potentiell in einem integrierten Schaltkreis untergebracht werden kann.

Ähnlich wie bei herkömmlichen DC/DC-Wandlern mit einer Drossel wird bei SC-DC/DC-Wandlern die Eingangsspannung auf den gewünschten Wert herauf- oder herabgesetzt. Bei dieser Untersuchung wurde nur der Abwärtswandler betrachtet. Das Funktionsprinzip des SC-DC/DC-Wandlers ist als zweistufige Topologie in Abb. 1 dargestellt. Abb. 2 zeigt die Schalt- und Spannungsverläufe im stationären Betrieb. Bei jedem Schaltvorgang durchläuft der SC-DC/DC-Wandler drei verschiedene Zustände. Wenn S1 eingeschaltet und S2 ausgeschaltet ist, sind die Kondensatoren Cs mit der Eingangsspannung in Reihe geschaltet, und zwar jeweils mit der Hälfte der Eingangsspannung.

 

Abb. 2: Spannungsverläufe des SC-DC/DC-Wandlers

 

Ist S2 eingeschaltet und S1 ausgeschaltet, sind beide Kondensatoren parallel zum Ausgang. Hierdurch ergibt sich eine Ausgangsspannung von Vin/2. Sind sowohl S1 wie auch S2 ausgeschaltet, ist der Schaltkreis inaktiv. Die Regelung der Ausgangsspannung kann durch Veränderung 1) der Schaltfrequenz fs (PFM), 2) des Aussteuergrads a (PWM), 3) der Stufenzahl n und 4) des Eingangsstroms iin erfolgen.

Um die Auswirkungen der verschiedenen Regelungskonzepte und der Schaltungsparameter auf das Betriebsverhalten bewerten zu können, wurde ein analytisches Modell des SC-DC/DC-Wandlers entwickelt. In Abb. 3 ist der Wirkungsgrad eines fünfstufigen SC-DC/DC-Wandlers mit Änderung der Stufenzahl n theoretisch dargestellt; dies wird durch geeignete Wahl der Schaltsignale erreicht.

 

Abb. 3: Wirkungsgrad des SC-DC/DC-Wandlers mit Änderung der Stufenzahl

 

Der Wirkungsgrad des SC-DC/DC-Wandlers ergibt sich näherungsweise aus

                                                 η=Vin/(n*Vout)

Das analytische Ergebnis zeigt, dass bei entsprechend gewählter Stufenzahl n für den  Ausgangsspannungsbereich (0 bis 0,5 Vin) ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden kann. Durch Veränderung der Schaltsignale kann n auch Werte n = 1,25, 1,33, 1,5, 1,6 und 2,5 einnehmen. Hierdurch lässt sich der Wirkungsgrad des SC-DC/DC-Wandlers bei einer Ausgangsspannung von Vin/2 bis Vin ebenfalls verbessern. Die analytischen Ergebnisse werden durch Simulationen und Versuche verifiziert.

Durch die auf dem Gebiet der Halbleitertechnik erzielten Fortschritte ist es möglich, die Schaltung eines SC-DC/DC-Wandlers in einem integrierten Schaltkreis unterzubringen. Je nach Leistungsanforderung an den Wandler können die Kondensatoren entweder integriert oder extern gesetzt werden.

Bei entsprechender Auslegung stellt der SC-DC/DC-Wandler für kleinere Leistungen bei hoher Leistungsdichte und hohem Wirkungsgrad des Wandlers eine Alternative zu herkömmlichen DC/DC-Wandlern dar.

 

Ansprechpartner Leibniz Universität Hannover