Leitfaden für Vorwärtswandler-Transformatoren

Vorwärtswandler-Transformatoren

Vorwärtswandler-Transformatoren, auch bekannt als Forward-Converter-Transformatoren, Transformatoren für Forward-Topologien oder einfach Forward-Transformatoren, sind eine Art von Schalt- und Isolationstransformatoren. Sie dienen der galvanischen Trennung und Spannungswandlung in DC/DC-Vorwärtswandlern. Zu den Forward-Topologien zählen einfache Vorwärtswandler sowie Halbbrücken-, Vollbrücken- und Active-Clamp-Schaltungen.

Vorwärtswandler werden für Ausgangsströme bis etwa 15 A oder überall dort eingesetzt, wo ein hoher Wirkungsgrad erforderlich ist. Die Forward-Topologie eignet sich besonders für hohe Ausgangsleistungen bis etwa 300 W, wobei Zwei-Schalter-Forward-Topologien auch bei Leistungen von nur wenigen Watt eingesetzt werden können. Vorwärtswandler-Transformatoren sind besonders attraktiv, da sie Wirkungsgrade von bis zu 95–97 % erreichen können. Dieser Artikel erläutert die Funktionsweise von Vorwärtswandler-Transformatoren sowie die Anwendungen, für die die Vorwärtswandler-Transformatoren von Coilcraft besonders geeignet sind.

Was ist ein Vorwärtswandler-Transformator?

Der Kern wird bei Vorwärtswandler-Transformatoren nicht zur Energiespeicherung genutzt. Stattdessen leiten Primär- und Sekundärwicklung gleichzeitig (und direkt), sobald der Schalter eingeschaltet ist, sodass die Energie direkt über den Transformator übertragen wird.

Dies unterscheidet sich von der Sperrwandler-Topologie (Flyback), bei der während der ersten Hälfte des Schaltzyklus Energie im Magnetfeld des Transformators gespeichert und in der zweiten Hälfte an die mit der Last verbundene(n) Sekundärwicklung(en) abgegeben wird. Sperrwandler-Transformatoren benötigen eine spezifische Magnetisierungsinduktivität und besitzen einen Luftspalt im Kern, der eine hohe Energiespeicherung ohne Kernsättigung ermöglicht.

Idealerweise besitzt ein Vorwärtswandler-Transformator eine hohe (primärseitige) Magnetisierungsinduktivität, was dazu dient, den Magnetisierungsstrom möglichst gering zu halten.

Welche Vorteile bieten Vorwärtswandler-Transformatoren im Vergleich zu Sperrwandler-Transformatoren?

Vorwärtswandler-Transformatoren bieten im Vergleich zu Sperrwandler-Designs (Flyback) im Allgemeinen einen höheren Wirkungsgrad und einen geringeren sekundärseitigen Effektivstrom (RMS-Strom). Dies führt zu reduzierten Wicklungsverlusten und einer verbesserten thermischen Leistung. Zudem belasten Vorwärtswandler-Designs die Schaltkomponenten in der Regel weniger, wodurch sie sich ideal für leistungsfähigere Leistungswandler-Anwendungen eignen.

Wie funktionert ein Vorwärtswandler-Controller?

Vorwärtswandler sind im Wesentlichen Abwärtswandler (Buck Converter), die zur galvanischen Trennung einen Vorwärtswandler-Transformator verwenden.

Der Vorwärtswandler-Controller schaltet den Leistungsschalter mit dem erforderlichen Tastverhältnis ein und aus, um die gewünschte Ausgangsspannung bereitzustellen. Als Schalter (SW) wird meist ein MOSFET verwendet, gelegentlich auch ein Bipolartransistor oder moderne GaN- bzw. SiC-Transistoren.

Unterschiedliche Kombinationen aus Windungsverhältnis und Tastverhältnis ermöglichen die gewünschte Ausgangsspannung gemäß folgender Gleichung:

V_out = V_in × N_sec / N_pri × D

Dabei gilt:

• V_out = Ausgangsspannung
• V_in = Eingangsspannung
• N_sec / N_pri = N₂ / N₁ = Windungsverhältnis Sekundärwicklung zu Primärwicklung
• D = Tastverhältnis = t_on / (t_on + t_off)

Der grundlegende Schaltzyklus eines Ein-Schalter-Vorwärtswandlers umfasst folgende Phasen:

• Ist der FET-Schalter (SW) geschlossen (ON), wird die Gleichspannungsquelle mit der Primärwicklung verbunden. Dadurch entsteht sofort ein Magnetfeld, das mit der Sekundärwicklung gekoppelt ist. Während dieser Phase steigen die Ströme in Primär- und Sekundärwicklung kontinuierlich an.
• Wird der FET-Schalter geöffnet (OFF), bricht das Magnetfeld zusammen, sodass kein weiterer Strom durch Primär- oder Sekundärwicklung fließt. Unmittelbar vor dem Abschalten erreicht der Strom in der Sekundärwicklung seinen Spitzenwert. Dieser Spitzenstrom beträgt etwa die Hälfte des Spitzenstroms eines vergleichbaren Flyback-Transformators mit halb so vielen Sekundärwindungen. Dadurch wird der FET im Vorwärtswandler geringer belastet.

Der geringere Effektivstrom (RMS) auf der Sekundärseite eines Vorwärtswandlers im Vergleich zu einem ähnlichen Flyback-Design führt häufig zu geringeren Verlusten in der Sekundärwicklung, selbst wenn der Flyback-Transformator mehr Windungen besitzt. Diese geringeren Wicklungsverluste sind einer der Gründe für den höheren Wirkungsgrad von Vorwärtswandlern.

Ein weiterer Grund ist, dass der Ausgangskondensator eines Flyback-Wandlers höhere Ströme verarbeiten muss als der eines Vorwärtswandlers, wodurch zusätzliche Kondensatorverluste entstehen.

Ein Zwei-Schalter-Vorwärtswandler (auch asymmetrischer Halbbrücken-Vorwärtswandler) besitzt zwei FET-Schalter, die teilweise in einem einzigen Controller-IC integriert sind.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Topologie besteht darin, dass die Spannung über den Schaltern auf die Eingangsspannung begrenzt wird. Dadurch ist ein größerer Eingangsspannungsbereich möglich. Die maximale Betriebsspannung eines Zwei-Schalter-Vorwärtswandlers nähert sich der Spannungsfestigkeit des FETs an, während die maximale Betriebsspannung eines Ein-Schalter-Vorwärtswandlers lediglich etwa der Hälfte der FET-Spannungsfestigkeit entspricht.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Zwei-Schalter-Topologie keine zusätzliche Rücksetzwicklung benötigt und daher einen einfacheren sowie kostengünstigeren Vorwärtswandler-Transformator ermöglicht.

Was sind typische Anwendungen für Vorwärtswandler-Transformatoren?

Vorwärtswandler-Transformatoren eignen sich für zahlreiche Anwendungen, darunter:

• DC/DC-Stromversorgungen
• Tragbare Elektronik
• Telekommunikation
• LED-Beleuchtung
• Power over Ethernet (PoE)
• AC/DC-Stromversorgungen

Standardmäßig verfügbare Vorwärtswandler-Transformatoren eignen sich besonders für Anwendungen, bei denen geringe Kosten, kompakte Bauformen und ein hoher Wirkungsgrad gefordert sind. Sie werden typischerweise in DC/DC-Reglern im Telekommunikations-Spannungsbereich von 36 bis 72 VDC eingesetzt und teilweise auch für erweiterte Eingangsspannungsbereiche von 9 bis 36 VDC.

Vorwärtswandler-Transformatoren werden üblicherweise für Ausgangsströme bis etwa 15 A und Ausgangsleistungen bis ungefähr 300 W verwendet.

Coilcraft bietet standardisierte, drahtgewickelte Vorwärtswandler-Transformatoren mit Leistungen von wenigen Watt bis 60 W an. Für höhere Ströme und Leistungen stehen außerdem standardisierte Planar-Transformatoren für Forward-, Push-Pull- sowie Halbbrücken-/Vollbrücken-Topologien mit Leistungsbereichen von 30 W bis 800 W zur Verfügung.

Wie wähle ich den passenden Vorwärtswandler-Transformator von Coilcraft für meine Anwendung aus?

Wie bei jedem elektronischen Bauelement erfordert die Auswahl von Vorwärtswandler-Transformatoren die Abwägung verschiedener, konkurrierender Kompromisse hinsichtlich Leistung, Baugröße, Wirkungsgrad, Kosten und Gewicht.

Anwendungen mit hoher Energiespeicherung, hoher Leistung oder hohem Strom erfordern in der Regel große Transformatoren, um eine Kernsättigung zu vermeiden. Hohe Ausgangsströme machen größere Leiterquerschnitte erforderlich, damit die Wicklungsisolation nicht überhitzt. Größere Kerne benötigen größere Spulenkörper mit einer längeren mittleren Windungslänge, was zu einem höheren Gleichstromwiderstand (DCR) führt. Hohe Schaltfrequenzen ermöglichen zwar kleinere Bauteile aufgrund geringerer Induktivitätsanforderungen, allerdings steigen die Kernverluste mit zunehmender Frequenz, was zu einem geringeren Wirkungsgrad führt. Kern- und Wicklungsverluste nehmen im Allgemeinen mit abnehmender Baugröße zu. Der Versuch, einen für eine bestimmte Anwendung zu klein dimensionierten Transformator einzusetzen, kann daher zu Überhitzung führen. Standardmäßig verfügbare Vorwärtswandler-Transformatoren von Coilcraft sind so konzipiert, dass sie diese konkurrierenden Anforderungen optimal ausbalancieren und eine kompakte, effiziente sowie kostengünstige Lösung bieten.

Coilcraft bietet eine praktische Auswahlhilfe, um den passenden standardmäßig verfügbaren Transformator anhand folgender Kriterien zu finden:

• Der erforderliche Eingangsspannungsbereich des Transformators (V_min im ungünstigsten Fall)
• Die erforderliche(n) Ausgangsspannung(en)
• Der erforderliche RMS-Ausgangsstrom oder die Ausgangsleistung (näherungsweise: P_out=V_out×I_out)

Coilcraft listet seine drahtgewickelten Vorwärtswandler-Transformatoren nach steigender Ausgangsleistung auf. Bestimmen Sie zunächst die passende Leistungsklasse und suchen Sie anschließend nach Ihrem Eingangsspannungsbereich sowie der gewünschten Ausgangsspannung. Liegt Ihr Leistungsbedarf über 60 Watt oder wird ein Planar-Transformator bevorzugt, steht eine große Auswahl an standardisierten Planar-Transformatoren zur Verfügung.

L_out: Eine Schlüsselkomponente für die Leistung von Vorwärtswandlern

Alle Vorwärtswandler benötigen eine Ausgangsdrossel (L_out), wie in den oben dargestellten Schaltungen gezeigt.

Coilcraft bietet Auswahlhilfen und Werkzeuge für Induktivitäten an, beispielsweise das Power Inductor Finder Tool, mit dem sich anhand von Induktivitätswert und Strombelastbarkeit die passende Induktivität auswählen lässt.

Probieren Sie jetzt den Power Inductor Finder aus.

Literatur

Mammano, Robert A., 2017. Fundamentals of Power Supply Design. Texas Instruments.

Dixon, Lloyd H., 2001. Magnetics Design for Switching Power Supplies. Unitrode Magnetics Design Handbook.

Colonel Wm. T. McLyman, 1988. Transformer and Inductor design Handbook. 2nd ed., Marcel Dekker.

Tools

Power Inductor Finder

Zugehörige Application Notes

Structured Design of Switching Power Transformers, Coilcraft Document 627

Nächste Schritte

Mehr anzeigen: Getting Started Serie