0.1 Betriebsmodi der Halbbrücken

0.1 B etriebsmodi der H albbrücken- Topologie
0.1 Betriebsmodi der Halbbrücken-Topologie
I m Folgenden werden die B et riebsmodi einer H albbrücke mi t entsprechendem St romfluss während L ei t- und Sperrphase der Transistoren erklär t. D as vereinfachte Schal tbild eines D - Verst ärkers sei an dieser Stelle k urz wiederhol t:
A bb. 0.1: Verinfachte Schal t ung eines K lasse D Verst ärkers in H albbrücken- Topologie
G rundsä t zlich steuer t das A udiosignal am E ingang den Verst ärker entweder posi t iv,
nega t iv oder gar nicht aus. D ie B et riebsmodi richten sich nach diesen drei A r ten der
A nsteuerungen und werden im wei teren Verlauf als „ posi t ive A ussteuerung“, „ negat ive A ussteuerung“ und „ keine A ussteuerung“ referenzier t.
B ei positiver A ussteuerung entsteht an der L ast der posi t ive Teil des A udiosignals,
also die posi t ive H albwelle der A usgangsspannung. D er L astst rom ist posi t iv. E in
posi t iver L astst rom fließt, per D efini t ion, von der B rücke über die L ast nach M asse
– also aus dem Verst ärker heraus. E ine negative A ussteuerung erzeugt die nega t ive
H albwelle der Spannung, also den nega t iven Teil des A udiosignals an der L ast. E in
nega t iver L astst rom fließt von M asse über die L ast zur jeweiligen Versorgungsspannung – in den Verst ärker hinein. I m N ul l- Z usta nd liegt kein A udiosignal am E ingang
an. D ie A usgangsspannung ist jedoch nicht durchweg null, sondern pendel t mi t kleiner A mpli t ude um den N ullpun k t. N ur der M i t telwer t ist null. D ieses Verhal ten wird
nachfolgend genauer erklär t.
0.1.1 keine Aussteuerung – Null-Zustand
O bwohl im N ull-Z ust and keine E ingangsspannung anliegt, kom mt es am A usgang
des Verst ärkers zu einem sogenannten R ippelst rom. St rom und Spannung über der
L ast pendeln mi t kleiner A mpli t ude um den N ullpun k t. D er R ippelst rom entsteht
durch die F il terdrossel: L iegt kein A udiosignal am E ingang an, bet rägt die Spannung
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Inhaltsverzeichnis
am A usgang des idealen Verst ärkers null. D ami t der M i t telwer t der P W M zu null
wird, müssen beide Transistoren im Wechsel gleich lange eingeschal tet werden. D as
P uls-Pausen- Verhäl t nis liegt dann genau bei 50%. D ie Spannung am B rücken k noten
springt zwischen posi t iver und nega t iver Versorgung also auch ohne A udiosignal.
M i t 0 V am L astwiderst and steht fast die gesamte Versorgungsspannung über der
F il terdrossel und wird während der lei tenden P hasen der Transistoren aufintegrier t.
G emäß
!
T
IL =
U L dt
(0.1)
0
steigt der Spulen-St rom, während der obere Transistor lei tet (posi t ive Spannung über
der Spule) und fäll t mi t der gleichen Steigung, während der U ntere lei tet (SpulenSpannung nega t iv). D ie Steigungen sind gleich, da die Versorgungsspannung bet ragsmäßig den selben Wer t ha t. D a beide Transistoren gleich lange lei ten, sind die E ndwerte des St rom ebenfalls gleich. D ieser dreieckförmige St rom wird als „ R ippel-St rom “
bezeichnet und liegt im B ereich weniger A mpere. D a der R ippel-St rom über die L ast
nach M asse abfließt, erzeugt er am Verst ärker- A usgang (über dem L astwiderst and)
eine gleichnamige „ R ippel-Spannung“. E in R echenexempel zur H öhe des St rom- und
Spannungs-R ippels findet sich am E nde des K api tels.
Wenn der Verst ärker am E ingang nicht ausgesteuer t wird, ist der L astst rom gleich
dem R ippel-St rom. D as genaue Verhal ten des R ippel-St roms sowie der B rückenspannung während eines Schal t z y klus wird nachfolgend analysier t. D ie Schal t ung wird
ini t ial – also im nicht-eingeschwungenen Z ust and – bet rachtet.
High-Side leitend
L ei tet der obere Transistor, so fließt ein
St rom von der posi t iven Versorgung durch
den Transistor über die F il terdrossel zur L ast
nach M asse. H ierdurch verschieb t sich das
Potent ial des B rücken k notens zur posi t iven
Versorgung hin, auf das Potent ial der Versorgung abzüglich der K analspannung des
Transistors. D er größte Teil der Versorgungsspannung fäll t über der D rossel ab, da die
R ippel-Spannung über dem L astwiderst and
sehr klein ist. Wegen der posi t iven Spannung
über der Spule steigt der St rom an, solange der Transistor lei tet. D er M a ximalwer t,
auf den der R ippel-St rom in dieser Zei t steigen k ann, ist im Vergleich zum größt möglichen L astst rom sehr gering. Wegen des niedrigen R ippel-St rom- E ndwer ts k ann sich das
M agnetfeld um die D rossel nur geringfügig
aufbauen. D ie Indu k t ivi t ä t speicher t in dieser P hase nur wenig E nergie.
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A bb. 0.2: St romfluss während der
high-side Transistor lei tet.
0.1 B etriebsmodi der H albbrücken- Topologie
Totzeit
W ird der oberen Transistor abgeschal tet, kommu t ier t der St rom augenblicklich in die B od yD iode des unteren Transistors, da die D rossel
ihren St rom aufrecht erhal ten will. D ie St romricht ung ist wei terhin posi t iv, die B rückenspannung wird jedoch auf die nega t ive Versorgung gezogen. D ie Indu k t ivi t ä t wird nun
zu Q uelle und muss sowohl die Versorgungsspannung als auch die D iodenspannung berei tstellen. Infolgedessen liegt der B rücken k noten
potent ialmäßig unterhalb der nega t iven Versorgung, da sich die D iode- F lussspannung bet ragsmäßig hinzu addier t. D a nun die Spannung über der D rossel nega t iv ist, beginnt der
St rom mi t der gleichen F lan kensteilhei t zu sinken, fließt aber wei terhin in posi t iver R icht ung.
W ährend der gesamten Tot zei t lei tet die D iode
– get rieben von der Indu k t ivi t ä t – den R ippelSt rom. Ist die Tot zei t hinreichend k urz, sin k t
der R ippel-St rom nicht auf null und der E ndwer t bleib t posi t iv.
A bb. 0.3: St romfluss während der
Tot zei t.
Low-Side leitend
B eim E inschal ten des unteren Transistors verschieb t sich der posi t ive St rom lediglich von
der D iode in den K anal des F E Ts. D a der
Transistor- K anal sehr niederohmig ist, stell t
der Innenwiderst and der D iode einen größeren W iderst and dar. A uch hier wähl t der
St rom den Weg des geringsten W iderst andes.
D ementsprechend fäll t die D iodenspannung
weg und die B rückenspannung liegt k napp
über der nega t iven Versorgung. D er posi t ive
R ippel-St rom nim mt wei ter ab. D a unter der
posi t iven Spannung nur wenig E nergie in der
D rossel gespeicher t wurde, bau t sich das M agnetfeld schnell ab und der Spulen-St rom versiegt. A n der D rossel liegt jedoch wei terhin eine ex terne Spannung an, und zwar die nega t ive B et riebsspannung. D a der St rom nicht mehr
von der Indu k t ivi t ä t get rieben wird, stell t sich
nun ein St rom gemäß den äußeren Schal t ungsbedingungen ein: D as Potent ial- G efälle der
D rossel-Spannung von M asse zur
A bb. 0.4: St romfluss während der
low-side Transistor lei tet.
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nega t iven Versorgung bedingt einen nega t iven St rom. D er St rom kehr t also seine R icht ung um und fließt nun von M asse zur nega t iven Versorgung, also in den Verst ärker hinein.
D urch den nega t iven St rom bau t sich das M agnetfeld der D rossel in entgegengeset z ter R icht ung auf. D ie im mer noch nega t ive Spannung
über der Indu k t ivi t ä t wird wei ter integrier t. Infolgedessen sin k t der St rom wei ter und es bau t
sich ein nega t iver R ippel-St rom auf.
Totzeit
I m A bschal t moment des unteren Transistors
fließt der R ippel-St rom in den Verst ärker hinein. E in nega t iver St rom k ann nur über die
B od y- D iode des oberen Transistors abgebau t
werden. D a die Indu k t ivi t ä t diesen St rom t reiben muss, liegt das B rückenpotent ial jet z t um
die F lussspannung erhöht über der posi t iven
Versorgung. D ie Spannung über der Indu kt ivi t ä t ist demnach posi t iv und erzeugt auf
dem (nega t iven) R ippel-St rom eine ansteigende F lan ke. D er E ndwer t bleib t nach der k urzen
Tot zei t nega t iv.
High-Side leitend
I m G egensa t z zum ini t ialen E inschal ten der
H igh-Side ist der A nfangswer t des St romes nun
nega t iv. D ie Schal t ung befindet sich im eingeschwungenen Z ust and, wenn die M a ximalwer te des posi t iven und des nega t iven R ippels
bet ragsmäßig gleich sind. D er M i t telwer t des
R ippel-St romes bet rägt dann null.
D urch das E inschal ten des oberen Transistors
verschieb t sich der nega t ive St rom lediglich von
der D iode in den K anal. D as B rückenpotent ial liegt k napp unter der posi t iven Versorgung. D ie D rosselspannung ist posi t iv und bewirk t eine ansteigende F lan ke auf dem nega t iven R ippel-St rom. D urch die posi t ive D rosselSpannung wird das geringe M agnetfeld abgebau t und der St rom versiegt. D a an der D rossel wei terhin eine posi t ive Spannung anliegt,
stell t sich gemäß dem Potent ial- G efälle von der
posi t iven Versorgung nach M asse ein posi t iver
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A bb. 0.5: St romfluss während der
Tot zei t.
A bb. 0.6: D er St romfluss ist nun
nega t iv.
0.1 B etriebsmodi der H albbrücken- Topologie
St rom ein. M i t dem steigenden posi t iven St rom bau t sich ein M agnetfeld in entgegengeset z ter R icht ung auf. B efindet sich die Schal t ung im eingeschwungenen Z ust and,
speicher t die D rossel während den L ei t phasen von H igh- und Low-Side die gleiche
E nergie, da das P uls-Pausen- Verhäl t nis 50% bet rägt. Infolgedessen pendeln R ippelSt rom und -Spannung um den N ullpun k t und sind im M i t tel null.
Z usammenfassend lässt sich feststellen, dass die B rückenspannung im mer dann ihren
Z ust and wechsel t, wenn die Transistoren abschal ten. D ie abfallende F lan ke t ri t t sofor t
auf, wenn der obere Transistor abschal tet und der St rom in die B od y- D iode des U nteren kom mu t ier t – vor der Tot zei t! D ie ansteigende F lan ke wird durch das A bschal ten
der Low-Side erzeugt – ebenfalls vor der Tot zei t! D emnach werden die U mschal t zei tpun k te im Schal t z y klus durch das Abschalten des jeweiligen B rücken- T ra nsistors best im mt. D as E inschal ten der Transistoren N ullspannungs-Schal t vorgang ( Z V S, Zero
Vol t age Swi tching) und ha t keine A uswirk ung auf den Z ust and der B rückenspannung.
0.1.2 positive Aussteuerung
D ami t der posi t ive Teil des A udiosignals am A usgang entsteht, muss durchweg ein
posi t iver L astst rom fließen. E in posi t iver L astst rom stell t sich ein, wenn der obere
Transistor länger einschal tet als der untere. D as P uls-Pausen- Verhäl t nis ist dann
größer 50% und die A usgangsspannung an der L ast wird posi t iv. D ami t wird der
L astst rom den R ippel-St rom übersteigen. D ie St romricht ung ist posi t iv und bleib t
während des gesamten Schal t vorgang unveränder t. Warum der R ippelst rom sich zum
L astst rom hinzu addier t und nicht mehr ins nega t ive sin k t, wird in der nachfolgenden
D isk ussion deu t lich.
High-Side leitend
D er St rom fließt während der E inschal t zei t
durch den oberen Transistor aus dem Verst ärker heraus in R icht ung L ast. D as B rückenpotent ial liegt, um die K analspannung reduzier t, unter der posi t iven Versorgung. D urch
den vergleichsweise großen posi t iven L astst rom fäll t an der L ast eine Spannung ab.
D emnach teil t sich die B rückenspannung auf
Indu k t ivi t ä t und L astwiderst and auf. D a die
D rossel-Spannung nun niedriger ist als im
N ull-Z ust and, steigt der Spulen-St rom mi t einer flacheren F lan ke an. D er E ndwer t ist jedoch deu t lich höher, da nicht nur die E inschal t zei t des Transistors länger ist, sondern
sich auch der Spulen-St rom zum L astst rom
hinzu addier t. M i t dem höheren St rom k ann
die D rossel ein größeres M agnetfeld aufbauen
und mehr E nergie speichern.
A bb. 0.7: St romfluss während
high-side F E T lei tet.
der
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Inhaltsverzeichnis
Totzeit
W ird der oberen Transistor abgeschal tet,
kom mu t ier t der St rom augenblicklich in die
B od y- D iode des untere Transistors, da die
D rossel ihren St rom aufrecht erhal ten will.
D ie St romricht ung ist wei terhin posi t iv, die
B rückenspannung wird jedoch auf die nega t ive Versorgung gezogen. D ie Indu k t ivi t ä t wird
nun zur Q uelle und muss sowohl die Versorgungsspannung als auch die D iodenspannung berei tstellen. Infolgedessen liegt der
B rücken k noten potent ialmäßig unterhalb der
nega t iven Versorgung, da sich die D iodeF lussspannung bet ragsmäßig hinzu addier t.
D a nun die Spannung über der D rossel nega t iv ist, beginnt der St rom mi t der gleichen
F lan kensteilhei t zu sin ken, fließt aber wei terhin in posi t iver R icht ung.
A bb. 0.8: St romfluss
Tot zei t.
während
der
Low-Side leitend
D as E inschal ten des unteren Transistors
bewirk t die Verschiebung des (posi t iven)
St roms von der D iode in den K anal des F E Ts.
D ie B rückenspannung ist wei terhin nega t iv,
der St rom sin k t mi t modera ter F lan ke. D a
die D rossel zu vor viel E nergie gespeicher t
ha t, k ann sich das M agnetfeld während der
k urzen E inschal t zei t nicht vollst ändig abbauen. D er E ndwer t des St rom bleib t nach der
k urzen E inschal t zei t der Low-Side posi t iv.
A bb. 0.9: St romfluss während der
low-side Transistor lei tet.
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0.1 B etriebsmodi der H albbrücken- Topologie
Totzeit
B eim A bschal ten des unteren Transistors verschieb t sich der posi t ive St rom zurück in
die D iode. D ie Indu k t ivi t ä t wird wieder zur
Q uelle und t reib t den St rom in posi t iver
R icht ung wei ter. D as B rückenpotent ial ist
nega t iver als die nega t ive Versorgung. D ami t
liegt eine nega t ive Spannung über der D rossel an, die den St rom leicht sin ken lässt. D er
E ndwer t am E nde der k urzen Tot zei t ist immer noch posi t iv.
High-Side leitend
W ird der obere Transistors eingeschal tet,
kom mu t ier t der L astst rom von der D iode in
den oberen Transistor- K anal. A uch hier gil t
wieder das G eset z des geringsten W iderst andes. E rst jet z t wechsel t die B rückenspannung
ihren Z ust and und der Spulen-St rom steigt
wieder. D er Z y klus beginnt von vorne.
A bb. 0.10: St romfluss während der
Tot zei t .
Z usammenfassend gil t: B ei posi t iver A ussteuerung best im mt der obere Transistor den
Schal t z y klus. D er untere Transistor könnte ebenso gu t durch eine D iode erset z t werden, die U mschal t zei t pun k te der B rückenspannung würden dadurch nicht beeinflusst.
D ie B rückenspannung wechsel t ihren Z ust and sobald der obere Transistor schal tet
(ein oder aus). D ie abfallende F lan ke ensteht zu B egi n n der Tot zei t durch die K ommu t ierung des St roms. D ie ansteigende F lan ke t ri t t erst auf, wenn der Transistor
einschal tet – also am E nde der Tot zei t, durch den a k t iven E inschal t vorgang.
B ei posi t iver A ussteuerung ist der L astst rom ist im M i t tel posi t iv. D er R ippelst rom
addier t sich zum L astst rom hinzu und pendel t um den M i t telwer t des L astst romes
aus dem jeweiligen Schal t z y klus.
0.1.3 Negative Aussteuerung
W ird der Verst ärker nega t iv ausgesteuer t, sind Spannung und St rom an der L ast
durchweg nega t iv. D er L astst rom ist bet ragsmäßig deu t lich größer als der R ippelst rom. D as P uls-Pausen- Verhäl t nis muss klei ner 50% sein. D as Verhal ten von St rom
und Spannung an der B rücke wird nachfolgend erläu ter t.
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Inhaltsverzeichnis
High-Side leitet
D er nega t ive St rom fließt vom M assePotent ial in den Verst ärker hinein durch
den K anal des H igh-Side- Transistors zur
posi t iven Versorgung. D ie B rückenspannung entspricht der Versorgungsspannung abzüglich der K analspannung des
F E Ts und teil t sich auf F il terdrossel
und L astwiderst and auf. D ie posi t ive
Spannung über der D rossel erzeugt eine ansteigende F lan ke auf dem nega t iven St rom. D er St rom nim mt bet ragsmäßig ab. Wegen des hohen nega t iven
L astst roms und der k urzen E inschal t dauer k ann die D rossel ihre E nergie nicht
vollst ändig abbauen. D er E ndwer t des
L astst romes bleib t t rot z steigender F lanke nega t iv.
A bb. 0.11: St romfluss während der H ighSide F E T lei tet.
Totzeit
B eim A bschal ten des oberen Transistors verschieb t sich der nega t ive St rom
vom K anal in die D iode. D ie Indu k t ivit ä t wird wieder zur Q uelle und t reib t
den St rom in posi t iver R icht ung weiter. D as B rückenpotent ial liegt über
der posi t iven Versorgung. D ie posi t ive
D rossel-Spannung bewirk t eine ansteigende F lan ke auf dem L astst rom.
A bb. 0.12: St romfluss
Tot zei t.
8
während
der
0.1 B etriebsmodi der H albbrücken- Topologie
Low-Side leitend
W ird der untere Transistors eingeschaltet, so kom mu t ier t der L astst rom von der
D iode in den unteren Transistor- K anal.
D ie B rückenspannung wechsel t ihren Z ust and und liegt leicht über der nega t iven
Versorgung. D ie nun nega t ive D rosselSpannung bewirk t eine St romänderung
mi t fallender F lan ke. D er L astst rom wird
wieder nega t iver.
A bb. 0.13: St romfluss während der lowside Transistor lei tet.
Totzeit
Schal tet man den unteren Transistor
ab, kom mu t ier t der St rom zurück in
die B od y- D iode des oberen F E Ts. D ie
St romricht ung ist wei terhin nega t iv.
D as B rückenpotent ial liegt oberhalb
der posi t iven Versorgung, wodurch die
D rossel-Spannung – als Q uellspannung
für den St romfluss – posi t iv werden
muss. D ami t steigt der nega t ive St rom
bet ragsmäßig mi t modera ter F lan ke an,
der E ndwer t bleib t nega t iv.
A bb. 0.14: St romfluss
Tot zei t.
während
der
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Inhaltsverzeichnis
High-Side leitend
D as E inschal ten des oberen Transistors bewirk t die Verschiebung des (nega t iven)
St roms von der D iode in den K anal des F E Ts. B rückenpotent ial und D rosselspannung sind wei terhin posi t iv, die St romflan ke ist ansteigend. D a die D rossel zu vor viel
E nergie gespeicher t ha t, k ann sich das M agnetfeld während der k urzen E inschal tzei t nicht vollst ändig nicht abbauen. D er E ndwer t des St rom bleib t nach der k urzen
E inschal t zei t der H igh-Side nega t iv. D er Z y klus beginnt von vorne.
Z usammenfassend gilt: B ei nega t iver A ussteuerung best im mt der untere Transistor
den Schal t zy klus. W ürde der obere Transistor durch eine D iode erset z t, blieben die
U mschal t zei t pun k te der B rückenspannung dennoch unveränder t. D ie B rückenspannung wechsel t ihren Z ust and sobald der Low-Side Transistor schal tet. D ie abfallende
F lan ke kom mt sofor t wenn er abschal tet ( zu B egi n n der Tot zei t!), durch die K om mut ierung des St roms). D ie ansteigende F lan ke kom mt erst, wenn der Transistor wieder
einschal tet, am E nde der Tot zei t.
D er L astst rom ist im M i t tel nega t iv. D er R ippelst rom addier t sich vorzeichenricht ig zum L astst rom hinzu und pendel t um den M i t telwer t des L astst romes aus dem
jeweiligen Schal t z y klus.
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