100W-Leistungstransverter von 12 VDC auf 20 VDC

Problem
Im modernen Modellflugzeugbau werden immer öfter Elektromotoren anstelle der Verbrennungsmotoren verwendet. Ein Akku reicht aber nur für wenige Minuten Flug, dann muss er wieder aufgeladen werden. Das soll in kürzester Zeit erfolgen, um die Flugpausen nicht endlos lang werden zu lassen.

Gute NiCd-Akkus haben 2000 mAh und können mit 5 A Ladestrom in weniger als 1/2 Stunde geladen werden. Auf der grünen Flugwiese ist oft die Autobatterie die einzige Stromquelle. Bei NiCd-Flug-Akkus mit bis zu 7 Zellen (7 x 1,5V = 10.5 V) geht das auch gut. Bei einer höheren Zellenzahl reicht dann die Autobatterie-Spannung nicht mehr aus. Ein Transverter muss die Autobatterie-Spannung auf einen höheren Pegel heben. Ein 12-Zellen-Akku erfordert z.B. 20 V.

Mit dem 200W-Transverter hatte ich einige Erfahrungen sammeln können. Der dort getriebene Aufwand war mir allerdings zu hoch. Insbesondere das zweite MOSFET-Pärchen das dort in der Autoakku-Minus-Leitung eingesetzt wird erscheint mir verzichtbar, es verschlechtert dort den Wirkungsgrad. Für 20V/5A sollte der Transverter deutlich kleiner ausfallen. Ein Wirkungsgrad von 85..90% soll die im Transverter erzeugt Wärme klein halten.

Nach Experimenten mit verschiedenen Grundkonzepten, hat sich der einfache Step-Up-Konverter mit Speicherspule als effektivste Lösung herausgestellt. Der Transistor wird für kurze Zeit eingeschaltet, der einsetzende Stromfluss lädt die Speicherdrossel auf. Mit der Drosselladung steigt die Stromstärke. Bevor diese gefährlich wird, wird der Transistor wieder ausgeschaltet. Die Drosselladung entlädt sich nun über die Diode in den Ausgangs-Elko. Die induzierte Spannung ist dabei weitaus höher als die Eingangsspannung.  Die Ausgangsspannung lässt sich mit einer Pulsweitenregelung einstellen, dafür kann man handelsübliche Schaltkreise benutzen.

Als Regler wird, wie auf dem Stromlaufplan zu sehen, der Schaltkreis TL494 verwendet. Er arbeitet bei 40 kHz als Impulsbreitenregler. Der IC steuert über eine Gegentaktstufe den eigentlichen Leistungstransistor an. Ohne Gegentaktverstärker war es nicht möglich, schnelle Schaltzeiten zu erreichen, um die Umschaltverluste klein zu halten. Als Leistungstransistor wird ein Spezialtypen mit extrem kleinen Innenwiderstand und kleiner Ansteuerspannung verwendet. Eine Spannungsbegrenzung und eine Strombegrenzung wirken auf die Pulsweitenregelung des TL494 ein.

Die Ausgangs-Elkos ergeben das eine maximale Welligkeit der Ausgangsspannung von 0,5 V. Wer's besser möchte braucht mehr Ausgangskondensatoren.

Die Verwendung von jeweils 2 Elkos halber Gesamtkapazität verringert die Elko-Induktivität und die Elko-Verluste im Vergleich zu Einzel-Elkos.

Wichtig ist die richtige Wahl der Drossel. Sie muss zum einen 12A-Dauerstrom vertragen, sollte aber auch vom Material des Ringkerns in der Lage sein, ausreichend Energie zu speichern. Normale Siebdrosseln reichen dazu nicht. Deren Kernmaterial sättigt sich schnell und dann steigt der Stromfluss durch Drossel und Transistor schlagartig an. Dabei wird natürlich auch die angestrebte Leistung nicht erreicht. Ich habe bei Nessel eine Speicherdrossel für reichlich 15 € erstanden. Die 10 mOhm Widerstand der Drossel führen zu durchschnittlich 0,12 V Spannungsabfall und 1,5 W Verlustleistung.
Die Induktivität der Spule sollte mindestens 60µH betragen, damit bei Strömen ab 0,5A kein lückender Stromfluss auftritt.

Bei Vollast fließt ein durchschnittlicher Eingangsstrom von 12 A. Der Spitzen sind höher (ca. 20 A). Das erfordert ein sorgfältiges Platinendesign. Auf Extras wie Steckverbinder, Schraubklemmen oder lange Leiterbahnen zum Platinenrand sollte primärseitig verzichtet werden. Als Leiterplattenmaterial sollte ein Typ mit 70 µm Kupferauflage verwendet werden. Die wichtigsten Leiterbahnen können mit Draht verstärkt werden. Das Zuleitungskabel sollte wenigstens 1,5 qmm Querschnitt aufweisen, und direkt an die Platine angelötet werden.

Es sollte ein MOSFET mit geringem Innenwiderstand verwendet werden. BUZ-11 (40 mOhm) oder ähnliches ist unbrauchbar. Der verwendete MOSFET mit 8 mOhm hat bei 12 A immer noch eine Flussspannung von 0,1 V und eine Verlustleistung von 1 W (ON-Zeit).  Dazu kommen noch die Umschaltverluste.

Erhebliche Leistung fällt an der Diode ab. Bei einer Ausgangsspannung von 20 V liegt unter Vollast der Duty-Cycle des Schaltreglers liegt bei etwa D=0.5. Das heißt, dass die Diode nur etwa 50% der Zeit leitet, während sie die anderen 50% der Zeit sperrt. In den 50%, in denen sie leitet,  muss der gesamte Ausgangsstrom durch die Diode in den Ausgangselko fließen. Folglich beträgt die Stärke des Diodenstroms etwa 10A, um am Ausgang kontinuierlich 5 A aus dem Elko entnehmen zu können. Die Diode ist zwar ein Schottky-Typ, aber bei 10 A erreicht die Flussspannung auch 0,6 V und damit die durchschnittliche Verlustleistung 3 W! Das sind schon 3 %, die am Wirkungsgrad fehlen.

Der gemessene Wirkungsgrad liegt bis 60W bei knapp 90% und bricht dann auf nur 85% bei 100W ein. Wo liegen Reserven für den Wirkungsgrad? Es gibt drei Typen von Verlusten:

• konstante Verluste, die immer gleich auftreten

Die Verluste im Steuerschaltkreis, in den Treibern und in den Spannungsmesswiderständen sind immer gleich, sind also konstante Verluste. Bei steigender Ausgangsleistung sollten sie sich positiv auf den Wirkungsgrad auswirken.
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• Verluste, die mit der Leistung linear steigen

Der Verlust an der Leistungsdiode ist annähernd linear (P = U x I). Sollte sich also kaum auf den Wirkungsgrad auswirken.
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• Verluste die mit der Leistung quadratisch steigen

Alle Verluste an ohmschen Widerständen, die im Stromfluss liegen steigen quadratisch mit der Ausgangsleistung (P = R x I x I), sie verringern den Wirkungsgrad bei steigender Leistung. In diese Kategorie zählen ohmsche Verluste in der Spule, im MOSFET, in der Zuleitung und im Strommesswiderstand sowie die ELKO-Verluste.

Die nebenstehende Grafik zeigt den errechneten Wirkungsgrad für verschiedene Ausgangsleistungen und verschiedene MOSFETS. Der gemessene Wirkungsgrad lag etwa gleich. Da für  die Verluste im Wesentlichen die Kabel und die Strommessschaltung verantwortlich ist, kann sich sogar der Großvater BUZ-11 scheinbar noch ganz gut schlagen. Wenn diese Verlustquellen aber beseitig werden, kommt der Transistorwahl eine größere Bedeutung zu. Reserven für den Wirkungsgrad bei hoher Leistung liegen also vor allem in der Verkabelung sowie in der Strommessschaltung (vielleicht auch bei den ELKOs). Große Verluste treten im gesamten Leistungsspektrum an der Leistungsdiode auf. MOSFET und Diode können gemeinsam auf einem Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von 15 K/W montiert werden.

Das Hauptproblem ist aber die Beschaffung der Speicherdrossel!!!

Die Strombegrenzung wird aus der Ausgangsstufe des Transverters. Dadurch verbessert sich die Spannungsstabilität am Ausgang.

Die Verluste an der Diode ließen sich mit einer aktiven Gleichrichtung verringern. D.h. mit einem MOSFET, der anstelle der Diode eingesetzt wird, und durch eine Steuerschaltung nur dann durchgeschaltet wird, wenn an der Drosselseite eine höhere Spannung anliegt, als an der Ausgangsseite.

Autor: sprut
erstellt: 09.07.2003