Synchronwandler

Als Synchronwandler bezeichnet man in der Elektronik eine elektronische Schaltung, die eine elektrische Gleichspannung in eine andere elektrische Gleichspannung wandeln kann. Die Höhe der Ausgangsspannung kann dabei, je nach Beschaltung des Eingangs und des Ausgangs, höher oder niedriger sein, als die ursprüngliche Eingangsspannung. Die Ausgangsspannung hat dabei stets dasselbe Vorzeichen wie die Eingangsspannung, weshalb der Synchronwandler somit zur Gruppe der nicht invertierenden Gleichspannungswandler gezählt wird.

Ein Hauptmerkmal des Synchronwandlers ist die bidirektionale Energieflussrichtung. Die Topologie des Synchronwandlers ermöglicht, bei Anschluss zweier Energiequellen, einen Stromfluss sowohl von der einen Energiequelle zur anderen, als auch vice versa.

Aufbau

Der Synchronwandler ist aus einem aktiven Energiespeicher, einer Induktivität, aufgebaut, welcher mittels Halbleiterschalter zyklisch mit Energie geladen sowie entladen wird. Als Halbleiterschalter kommen dabei ausschließlich Bauteile zum Einsatz, die Ströme in beide Richtungen leiten können, wie beispielsweise Transistoren.

Im Grunde kann der Synchronwandler als eine Kombination von Abwärtswandler und Aufwärtswandler angesehn werden. Die Schaltung des Synchronwandlers entspricht dabei jener eines Abwärtswandlers oder Aufwärtswandlers, bei der die Diode durch einen Halbleiterschalter ersetzt wurde, welcher bidirektional Strom leite kann.

Je nach Definition des Eingangs und des Ausgangs des Synchronwandlers arbeitet dieser somit als Abwärtswandler oder als Aufwärtswandler.

Funktion

Wie bei jedem Gleichspannungswandler wird die Ausgangsspannung über die Einschaltzeit und die Ausschaltzeit der Halbleiterschalter bestimmt. Bei einem Abwärtswandler oder Aufwärtswandler genügt es, den einen aktiv schaltbaren Halbleiterschalter zu steuern. Der zweite Schalter, die Diode, schaltet dabei selbstständig, je nachdem welche Richtung der Strom durch diesen hat. Da der Synchronwandler aus zwei schaltbaren Halbleiterschaltern aufgebaut ist, muss der Zweite in Abhängigkeit des Ersten gesteuert werden. Der zweite Halbleiterschalter wird dabei im Gegentakt zum ersten Halbleiterschalter betätigt. Wird der erste Schalter geschlossen, so öffnet der Zweite. Öffnet der erste Schalter, so schließt der Zweite. Es ist somit zu jedem Zeitpunkt – abgesehen von einer kleinen Totzeit um Kurzschlüsse aufgrund endlicher Umschaltzeiten zu vermeiden - ein Schalter geschlossen.

Spannungsquelle und Last

Wird die Spannung U_A als Eingang definiert und eine Spannungsquelle angelegt und die Spannung U_B als Ausgang definiert und eine Last angelegt, so arbeitet der Synchronwandler als Abwärtswandler, wobei sich Ausgangsspannung wie bei diesem im kontinuierlichen Betrieb einstellen lässt.

Wird die Spannung U_A als Ausgang definiert und eine Last angeschlossen sowie die Spannung U_B als Eingang definiert und eine Spannungsquelle angeschlossen, so arbeitet der Synchronwandler als Aufwärtswandler. Da Verhalten entspricht dabei jenem eines herkömmlichen Aufwärtswandlers.

Betreib mit zwei Spannungsquellen

Wird sowohl am Eingang als auch am Ausgang eine Spannungsquelle angeschlossen – wobei die Spannung U_A höher als die Spannung U_B sein muss – so arbeitet der Synchronwandler im fließenden Übergang zwischen Abwärtswandler und Aufwärtswandler, wobei die Energie in beliebige Richtung fließen kann.

Wird das Pulsweitenverhältnis so gewählt, dass die Spannung U_B ohne angeschlossene Spannungsquelle größer wäre, als die Höhe der Spannung der angeschlossenen Spannungsquelle, so fließt Strom, und damit Energie von der Spannungsquelle an U_A zur Spannungsquelle an U_B, der Synchronwandler arbeitet als Abwärtswandler.

Wählt man das Pulsweitenverhältnis so, dass die Spannung U_B ohne angeschlossene Spannungsquelle kleiner wäre, als die Spannung der angeschlossenen Spannungsquelle, so fließt Strom von der Spannungsquelle an U_B an die Spannungsquelle an U_A, der Synchronwandler arbeitet als Aufwärtswandler.

Durch Variieren des Pulsweitenverhältnisses kann somit also der Energiefluss sowie die Höhe fließenden Stromes vorgegeben werden.

Bei festem Pulsweitenverhältnis wirkt der Synchronwandler für Gleichspannungen – in gewissen Grenzen – somit wie ein Wechselspannungstransformator für Wechselspannung, wobei das Übersetzungsverhältnis vom Pulsweitenverhältnis vorgegeben wird. Aus diesem Grund wird der Synchronwandler auch gelegentlich als Gleichspannungstransformator bezeichnet.

Anwendung und Vorteile

Anwendung findet der Synchronwandler in erster Linie dort, wo eine bidirektionale Energieübertragung benötigt wird. Ein Beispiel dafür ist ein elektrischer Antrieb mittels Gleichstrommotor und Akkumulator. Die für den Wandler benötigte Induktivität sowie der Pufferkapazität C_UB' wird dabei durch den Motor ersetzt, welcher somit direkt am Mittelpunkt der Halbleiterschalter, also der Halbbrücke, angeschlossen wird. Ist den Motor nun in Rotation, so induziert dieser eine Spannung, welcher der zweiten Spannungsquelle entspricht. Durch Vorgabe des Pulsweitenverhältnisses kann nun bestimmt werden, ob der Motor beschleunigt, also Strom und somit Energie vom Akkumulatorzum Motor fließt, oder der Motor bremst und Energie in den Akkumulator zurückliefert.

Der Synchronwandler findet jedoch auch Anwendung, wenn kein bidirektionaler Stromfluss gewünscht ist. Da eine Diode in Durchlassrichtung Stetes einen Spannungsabfall verursacht, träten an dieser zwangsläufig nicht unerhebliche Verluste auf. Moderne Leistungstransistoren hingegen haben im Vergleich dazu deutlich geringere Verluste, weshalb ein klassischer Abwärtswandler oder Aufwärtswandler durch die Ausführung als Synchronwandler eine höhere Effizienz erzielen kann.

Ein weiterer Vorteil des Synchronwandlers ist das Fehlen des diskontinuierlichen (lückenden) Betriebs. Bei einem herkömmlichen Abwärtswandler wird der Strom in der Induktivität bei geringen Ausgangsströmen null, da die Diode in diesem Moment sperrt. Da im diskontinuierlichen Betrieb die Ausgangsspannung nicht mehr alleine von Eingangsspannung und Pulsweitenverhältnisses abhängt, wird die Regelung der Ausgangsspannung in dieser Betriebsart deutlich erschwert. Bei einem Synchronwandler hingegen steigt der Strom, nachdem er null geworden ist, negativ an, da der Halbleiterschalter auch negative Ströme leiten kann. Die Energie hierfür liefert nun die Ausgangskapazität, welche Energie abgibt. Ein als Abwärtswandler ausgeführter Synchronwandler kann also nicht in den diskontinuierlichen Betrieb übergehen und ist unabhängig von der Last immer leicht regelbar.

Multi-parallel-Wandler

Um die Pufferkondensatoren am Eingang und Ausgang zu entlasten oder kleiner zu gestallten, ist es möglich, mehrere Synchronwandler parallel zu schalten, wobei alle Wandler denselben Eingangskondensator und Ausgangskondensator besitzen. In dieser Betriebsart werden die einzelnen Wandler untereinander synchronisiert und mit einer Phasenverschiebung betrieben. Somit wird gewährleistet, dass jeder Wandler der Reihe nach Strom aufnimmt und Strom abgibt. Die Strombelastung der Pufferkondensatoren wird somit zeitlich verteilt, wodurch mit derselben Kapazität der Kondensatoren eine deutlich geringere Spannungswelligkeit erreicht wird.