200W-Leistungstransverter von 12 VDC auf 20...35 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 20-Zellen-Akku erfordert z.B. 30 V.

Um 30 V bei 6,5 A (ca. 200 W) bereitzustellen, ist schon etwas Aufwand erforderlich. Da ein handliches Gehäuse kaum mehr als 20 W Heizleistung abführen kann, sollte der Wirkungsgrad besser als 85% sein.

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. Eine Pulsbreite von ca 50 % ... 65 % bei einer Schaltfrequenz von 40 kHz hat sich als günstiger Wert erwiesen, um 20 V ..30 V zu erzeugen. Die Ausgangsspannung lässt sich mit einer Pulsweitenregelung einstellen, dafür kann man handelsübliche Schaltkreise benutzen.

Die sind allerdings eigentlich nicht für die Regelung von Hochstromkreisen gedacht. Bei Belastungsspitzen (Anschließen des zu ladenden Akkus) versuchen sie die Pulsweite stark zu vergrößern, um den kurzfristigen Bedarf zu decken. Das ist allerdings aussichtslos. Dabei regelt der IC dann die Pulsbreite auf nahezu 100 %, was einem Kurzschluss der Autobatterie über Speicherdrossel und Transistor gleichkommt. Das schwächste Element brennt dann durch, im günstigsten Fall eine Leiterbahn, meist aber der Transistor. Ein komplementär angesteuerter zweiter Transistor, der die Autobatterie dann vom Transverter trennt, verhindert das. Die Drossel kann nur mit der im Eingangs-Elko gespeicherten Energie geladen werden, falls der Regler sich 'festfährt'.

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 die eigentlichen Leistungstransistoren an. Ohne Gegentaktverstärker war es nicht möglich, schnelle Schaltzeiten zu erreichen um die Umschaltverluste klein zu halten. Als Leistungstransistoren werden Spezialtypen mit extrem kleinen Innenwiderstand verwendet.. Die Parallelschaltung von Transistorpaaren viertelt die Verluste in den Schalttransistoren. Eine 18V-Z-Diode schützt die Gates des zweiten Transistorpaares vor Überspannung. Eine Spannungsbegrenzung und eine Strombegrenzung wirken auf die Pulsweitenregelung des TL494 ein.

An den Ausgangs-Elkos ergibt das eine maximale Welligkeit der Ausgangsspannung von 0,53 V. Allerdings kann die Ausgangswelligkeit durch den ESR der verwendeten ELKOs auch auf 1V ansteigen. 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 20A-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 0,2 V Spannungsabfall und 4 W Verlustleistung.
Die Induktivität der Spule sollte mindestens 90µH betragen, damit bei Strömen ab 0,5A kein lückender Stromfluss auftritt. Ein Ringkern mit einem AL-Wert von mindestens 500 nH wird dafür mit 13 Windungen aus dreifachem 1 qmm Kupfer-Lackdraht umwickelt.

Bei Vollast fließt ein durchschnittlicher Eingangsstrom von 20 A. Der Impulsstrom ist weitaus höher (ca. 60 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.

Es sollten MOSFETs mit geringem Innenwiderstand verwendet werden. BUZ-11 (40 mOhm) oder ähnliches ist unbrauchbar. Die verwendeten MOSFETs mit 10 mOhm haben bei 10 A immer noch eine Flussspannung von 0,1 V und eine Verlustleistung von 1 W (pro Stück). Dieser Wert wird durch die Umschaltverluste noch deutlich verschlechtert.

Erhebliche Leistung fällt an der Diode ab. Das ist zwar ein Schottky-Typ (32A/50V), aber bei 10 A erreicht die Flussspannung auch 1 V und die Verlustleistung 10 W! Das sind schon 5 %, die am Wirkungsgrad fehlen.

Die Schaltung liefert im Labor bis zu 200 W bei 35 V mit einem Wirkungsgrad um 85%. Für einen stabilen Betrieb der Regelkreise sollte auch im Leerlauf ein Lastwiderstand von 2 kOhm angeschlossen werden. Dazu kann man z.B den Spannungsteiler am ausgang (8,2k & 1k) auf 1,5k & 220 Ohm verringert, dabei muss für den 1,5kOhm-Widerstandein 1W-Typ gewählt werden Problematisch ist das Verhalten, wenn die Eingangsspannung zusammenbricht, weil dann der Steuerschaltkreis keine exakten Pegel mehr liefert, und alle MOSFETs leitend werden. Eine Autobatterie bricht aber eigentlich nicht zusammen. Trotzdem wird eine Betriebsspannungsüberwachung beim nächsten Prototyp den Regler abschalten, wenn die Eingangsspannung 10 V unterschreitet. Die Ansteuerung des zweiten FET-Paares ist noch nicht optimal. Vor allem im Teillastbetrieb ist sie viel zu träge.

Wer keinen Oszilloskop (am Besten Speicheroszi) sein eigen nennt, bekommt die Grundschaltung vielleicht zu Laufen, ist aber kaum in der Lage die Schaltung soweit zu optimieren, das sie stabil mit hohem Wirkungsgrad arbeitet.

Die verwendeten MOSFETs sind nur für eine Maximalspannung von 30 V ausgelegt (und schlagen erfahrungsgemäß bei 40 V durch). Der Austausch eines MOSFET-Paares (das, welches über die 10-Ohm-Widerstände angesteuert wird) durch den Typ SUP75N06-08 vergrößert die Spannungsreserve und  verringert die Verluste. Allerdings verlangen sie eine höhere Ansteuerspannung als der gegenwärtig eingesetzte LL-Typ. Die zur Verfügung stehenden 10 V sollten aber reichen.

Alternativ kann bei Verwendung einer Unterspannungsabschaltung auf das zweite MOSFET-Paar ganz verzichtet werden.

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
letzte Änderung: 10.10.2002