Wie funktioniert LLC-Resonanzkonverter-Design?

LLC-Konverter (auch LLC-Converter) sind ein elementarer Bestandteil von Hochleistungssystemen und spielen eine wichtige Rolle bei vielen verschiedenen Stromumwandlungssystemen, beispielsweise bei LED-Banks, Haushaltsgeräten oder etwa Desktop- und Server-Netzteilen. Wenn man jedoch einen Blick auf die verschiedenen Arten von Schaltwandlern und ihre Topologien wirft, fällt auf, dass das Design von LLC-Resonanzkonvertern oftmals gar nicht diskutiert wird. Dabei sind DC-DC-Konverter nicht nur schwierig zu entwerfen, sie können sogar gefährlich sein. Insbesondere dann, wenn es sich um Schaltwandler mit hohem Ausgangsstrom handelt. LLC-Konverter kommen jedoch stärker in den Fokus, sobald man sich die Anwendungshinweise von Unternehmen im Bereich der Leistungselektronik näher anschaut.

Gerade wenn man sich mit Steueralgorithmen und Methoden zur Implementierung einer Rückkopplungsschleife befasst, zeigt sich schnell, weshalb LLC-Resonanzkonverter-Designs so wertvoll sind. Bei einer Stromversorgung etwa, bei welcher Sie eine Pufferung oder übermäßige Welligkeit berücksichtigen müssen, können Sie zwar prinzipiell dieselbe Art von Steueralgorithmus implementieren, die Sie auch für einen Abwärts-/Aufwärtswandler verwenden würden. Mit einem isolierten Schaltwandler, einem LLC-Konverter, können Sie jedoch höhere Ausgangsleistungen erreichen. Wenn Sie nun ein PCB-Layout für diese Systeme erstellen möchten, gibt es auch hier einige Punkte in Bezug auf Sicherheit, Wärmeschutz und Rauschunterdrückung zu beachten. In diesem Beitrag beschäftigen wir uns näher mit all diesen Aspekten und zeigen, wie LLC-Resonanzkonverter-Design genau funktioniert.

Was ist ein LLC-Resonanzkonverter?

Wie zuvor schon erwähnt ist ein LLC-Resonanzkonverter vergleichbar mit einem isolierten Schaltwandler. Er steuert die Ausgangsspannung, indem er die geeignete Frequenz für ein Schaltsignal bestimmt. Ein typischer Schaltwandler (z. B. Abwärts- oder Aufwärts-Topologie) steuert die Ausgangsspannung hingegen durch das Tastverhältnis eines Schaltsignals. Diese Art von Systemen werden in vielen Bereichen mit hoher Leistung eingesetzt, auch in solchen mit Wechselstromeingang.

Das Blockdiagramm, das Sie weiter unten sehen können, gibt Ihnen einen guten Überblick hinsichtlich der verschiedenen Elemente eines LLC-Resonanzkonverters. Die Eingangsstufe eines Konverters besteht im Allgemeinen aus einem Gleichrichter, einer Leistungsverbesserungsstufe (PFC-Schaltung) und einer Glättungskondensatorbatterie. Wenn es sich um Wechselstromnetze handelt, kann hier zudem ein EMI-Filter platziert werden. Beachten Sie, dass die PFC-Stufe für ein LLC-Resonanzwandler-Design zwar nicht unbedingt erforderlich ist, aber für einen hohen Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung sorgt – genau wie bei jedem anderen Schaltregler.

Vollbrücken- vs. Halbbrückenschaltung

Das Schaltelement eines LLC-Resonanzwandler-Designs wird in zwei möglichen Konfigurationen bereitgestellt. Bei einem Vollbrückenschaltkreis haben wir 4 MOSFETs vorliegen, während ein Halbbrückenschaltkreis nur 2 MOSFETs benötigt. Diese Elemente schalten sich auf die gleiche Weise ein und aus wie Dioden in einem Brückengleichrichter, die zwischen Vorwärtsspannung und Umkehrspannung umschalten müssen, wenn sie mit Wechselstrom versorgt werden. Hier nimmt eine Vollbrücke in der Regel mehr Platz ein und erzeugt auch mehr Rauschen. Ich selbst bevorzuge den Halbbrückenschaltkreis. Denn hier kann der für die Frequenzsteuerung benötigte Kondensator direkt im Halbbrückenschaltkreis (C1 und C2) platziert werden.

Ausgangsgleichrichter

Die Gleichrichtung auf der Ausgangsseite kann auf verschiedene Arten erfolgen. Das Ziel ist hier, die Stromrichtung so zu steuern, dass der Ausgang immer in Form eines Gleichstroms (DC) vorliegt. Die Kondensatoren auf der Ausgangsseite glätten dabei auch die Restwelligkeit beim Umschalten des Brückenteils. Bei einfacheren LLC-Kondensatoren erfolgt die Ausgangsgleichrichtung durch Dioden. Bei einem LLC-Resonanzwandler-Design mit höherem Strom hingegen ist es ratsam, MOSFETs für die Gleichrichtung auf der Ausgangsseite zu verwenden.

Kontrolle des Outputs

Der Output wird durch die Wahl eines geeigneten Windungsverhältnisses am Transformator festgelegt, ähnlich wie bei Wechselstromkreisen. Die Höhe der Spannung, gemessen an der Primärseite des Transformators, wird hingegen durch die Anpassung der Frequenz gesteuert - jene Frequenz des Ansteuerungssignals, welches an den Schaltkreis gesendet wurde. Dieses Antriebssignal selbst ist ein Pulsfrequenzmodulationssignal (PFM) mit einem Tastverhältnis von ca. 50 %.

Der LC-Schwingkreis weist eine gewisse Verstärkung auf, da Widerstände nur an zwei Orten auftreten: innerhalb der Schaltung (Durchlasswiderstand der MOSFETs) und in den Transformator-/Induktionsspulen (Wicklungswiderstand). Die typischen Verstärkungswerte liegen hier zwischen 1 und 1,5. Wenn die Ausgangsleistung sinkt, muss der Treiber die PFM-Signalfrequenz entsprechend anpassen und das System in Richtung der Resonanz verschieben. Indem so gerade eben noch genug Verstärkung auf der primären Seite des Transformators genutzt wird, kann die Ausgangsleistung schließlich erhöht werden.

Diese Art der Steuerung ist simpel genug, um sie innerhalb einer Rückkopplungsschleife, eines Strom- oder Spannungsmesskreises oder etwa einer MCU umzusetzen (siehe Abbildung 3). Es gibt auch integrierte PMICs, die diese Erfassungsfunktionalität selbst schon bereitstellen und so das entsprechende Impulssignal direkt mitliefern, welches zum Ansteuern der Brückenschaltung erforderlich ist. In der Regel wird ein Optokoppler benötigt, um den Ausgang zu erfassen und diesen zur Anpassung der Schaltfrequenz an den Eingang rückzukoppeln. So kann ein erfasster Ausgang an die Primärseite zurückgeleitet werden, während die Isolierung aufrechterhalten wird. Sobald Sie mit dem Entwurf Ihrer Schaltung fertig sind und alle erforderlichen Komponenten ausgewählt haben, gilt es im nächsten Schritt darüber nachzudenken, wie Sie nun alles in Ihr PCB-Layout integrieren können.

Platzierung des LLC-Konverters in Ihrem PCB-Layout

Da LLC-Resonanzkonverter normalerweise in Systemen mit eher mäßig hoher Spannung eingesetzt werden, sind einige grundlegende Design-Tipps zu beachten:

• Ausgangstransformator: Beachten Sie bei der Platzierung des finalen Transformators unsere Best Practices für isolierte Gleichstromversorgung. Dieser Transformator isoliert dabei vorrangig die Hochspannungsseite am Output. Gerade hier ist aber trotzdem Vorsicht geboten, denn Nutzer können immer noch einer hohen Spannung aus der Rückkopplungsschleife ausgesetzt sein.
• MOSFET-Gleichrichter: Bei Hochstrom-Ausgangssystemen werden Sie möglicherweise auch MOSFETs auf der Ausgangsseite verwenden müssen, um hohe Ströme gleichzurichten. Eine Gruppe von MOSFETs könnte sogar parallel auf der Ausgangsseite verwendet werden, um einen hohen Strom zu liefern, ohne dabei einen Durchbruch zu riskieren. 
• Abstände: Wenn Sie mit hoher Spannung arbeiten, nutzen Sie am besten die Abstands-Designregeln Ihrer PCB-Designtools. Sie sollten vor allem sicherstellen, dass Ihre Leiterplatte nicht gegen die Sicherheitsnormen für Abstände zwischen Leitern mit hohem Potentialunterschied verstößt.
• Isolierung: Wie oben schon erwähnt, gilt es die Isolation aufrechtzuerhalten, indem der erfasste Ausgang mithilfe eines Optokopplers an den Feedback-Pin eines Controller-ICs zurückgeleitet wird. Der Transformator muss auch ein gewisses Maß an Isolationsspannung bis zu einer bestimmten Frequenz-/Spannungsgrenze bereitstellen. Die genaue Isolationsspannung wiederum kann durch Industriestandards (IEC oder UL) oder spezifische Vorschriften im Vorhinein festgelegt worden sein.

Wie bei den meisten Hochleistungssystemen sollte das Layout auch hier am besten einen Kühlkörper, Lüfter oder beides beinhalten, die wiederum jeweils an bestimmten Komponenten montiert sind. Für eine LED-Leiterplatte, die mit 500 W oder mehr betrieben wird, sollte vorzugsweise eine Leiterplatte mit Metallkern verwendet werden. Denn der Metallkern sorgt für eine natürliche Wärmeableitung. Thermische Vias auf kritischen Pads können hier ebenfalls helfen, denn sie leiten die Wärme in eine Kupferlage um.

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