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Konverter in der Bauweise als Durchfluss- und Sperrwandler: Ausgabe 03/2020, 20.02.2020

Forward oder Flyback, was ist besser?

Beatles oder Stones, Forward oder Flyback? Hier geht es um Fragen, die im Laufe der Jahre immer lebhaft diskutiert wurden und werden. In Wahrheit gilt jedoch meistens beides, alleine schon aufgrund der jeweiligen Vorteile. Ein technischer Bericht von Coilcraft bringt Aufklärung.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent

Bilder: Coilcraft

Von besonderem Interesse im Bericht sind dabei die Charakteristiken der isoliert aufgebauten Wandler, wie dem Durchflusswandler mit Active Clamp und dem Sperrwandler mit kontinuierlichem Stromfluss (Continuous Conduction Flyback).
Beide Designs werden anhand von zwei Telecom-Stromversorgungen erläutert. Konkret geht es um 51-W-PoE-PD-Stromversorgungen, die dem IEEE 802.3bt Standard entsprechen. (PoE = Power over Ethernet, PD = Powered Devices). Durch die im neuen Standard IEEE 802.3bt erreichbare Leistungssteigerung – bis zu 71 W – wird die Forward-Topologie attraktiver als mit der zuvor festgelegten maximalen Leistung von 25,5 W. Zugunsten der Flyback-Topologie für höhere Leistungen sprechen neue Transformator-Kerngrössen und neue Technologien. Das bedeutet höhere Leistungsgrenzen für Flyback. Diese Entwicklungen und der allgegenwärtige Trend zu besseren Halbleiterbauelementen erfordern einen neuen Blick auf die Debatte über Forward gegen Flyback. Im Coilcraft-Bericht folgen detaillierte Übersichten über die Ähnlichkeiten und Unterschiede der beiden Technologien (Bild 1).

Active-Clamp-Forward-Betrieb
Die typische Schaltung einer Active-ClampForward-Stromversorgung ist in Bild 2 dargestellt. Der Einfachheit halber sind nur die Leistungsstufe des Netzteils und die Schnittstelle zu einem Netzteil-Controller-IC dargestellt. Nebenkomponenten, die sich auf den Controller-IC beziehen, wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen.
Der Controller-IC der Stromversorgung steuert die beiden FET-Schalter auf der Primärseite (QPRI und QCLAMP) mit einer hohen Frequenz (mehrere 100 kHz) und zudem komplementär. Wenn ein Schalter eingeschaltet ist, ist der andere ausgeschaltet. Der Anteil der Zeit, in der QPRI während der Schaltperiode eingeschaltet ist (QCLAMP ist ausgeschaltet), wird als Tastverhältnis D bezeichnet. Der Anteil der Zeit, in der der primäre FET eingeschaltet ist, führt zu einer ImpulsfolgeSpannung unterschiedlicher Dichte über der Primärseite des Transformators (VPRI). Diese Spannungswellenform wird dann aufgrund der magnetischen Flusskopplungseigenschaften eines Transformators zur Sekundärseite des Transformators gekoppelt. Die Spannung auf der Sekundärseite (VSEC) wird durch das Übersetzungsverhältnis des Transformators (N:1) skaliert.
Die sekundäre Spannungsimpulsfolge versorgt hauptsächlich die Ausgangsinduktivität (LOUT) und den Kondensator (COUT) durch eine Gleichrichterschaltung (QFWD und QFREE). Dieser Tiefpass-L-C-Filter dient dazu, die Impulsfolge am Ausgang des Forward-Netzteils in eine Gleichspannung zu filtern, die eine zu D und N proportionale Spannung aufweist. Die Impulsfolge an VSEC wird auch häufig dazu verwendet, die FET-Schalter auf der Sekundärseite so anzusteuern, dass sie sich wie Dioden verhalten. Diese Technik wird als Synchron-Gleichrichtung (SR) bezeichnet und führt zu einem besseren Wirkungsgrad als die Verwendung von Diodengleichrichtern.

Flyback-Betrieb
Eine typische Flyback-Stromversorgungsschaltung zeigt Bild 3. Der Controller-IC der Flyback-Versorgung steuert den primären FET-Schalter (QPRI) und komplementär den Synchron-Gleichrichter (QSYNC). Auch hier wird QPRI hochfrequent mit unterschiedlichem Tastverhältnis (D) moduliert. Wie bei der Forward-Schaltung wird die resultierende Spannungsimpulsfolge der primären Transformatorseite (VPRI) in die Sekundärseite des Transformators gekoppelt (VSEC). Im Gegensatz zu Active Clamp Forward wird bei eingeschaltetem QPRI im Transformator erhebliche Energie gespeichert. Wenn dann QPRI ausgeschaltet ist (QSYNC ist eingeschaltet), wird diese gespeicherte Energie an die Sekundärseite abgegeben. Das bedeutet, dass QSYNC für die Gleichrichtung der Energie der auf der Sekundärseite vorhandenen Impulsfolge verantwortlich ist. Da für QSYNC anstelle eines einfachen Diodengleichrichters ein Synchrongleichrichter verwendet wird, muss das Gate-Steuersignal des IC-Controllers die Isolationsgrenze überschreiten, um zum sekundärseitigen FET zu gelangen. Ein relativ kleiner, einfacher Gatetreiber-Signaltransformator
macht das möglich. Die Ausgangsfilterung des Flybacks unterscheidet sich ebenfalls von der Vorwärtsversorgung. Für die Flyback-Lösung umfasst der Ausgang L-C die Primärinduktivität des Leistungstransformators und den Ausgangskondensator COUT1. Die resultierende gefilterte DC-Ausgangsspannung an VOUT1 ist, wie in der Forward-Schaltung, proportional zu D und dem Übersetzungsverhältnis des Leistungstransformators (N). Zusätzlich zu diesem L-C-Filter wird bei Flybacks häufig ein optionales, zweistufiges L-C-Filter mit LOUT2 und COUT2 verwendet. Dieser optionale Tiefpassfilter dämpft den AC-Gehalt der Impulsfolge weiter und reduziert so die Welligkeit an VOUT2.
Eine detailliertere Gegenüberstellung beider Schaltungstopologien, einschliesslich Bauelementezahl und Ausgangsfilterung, kann man dem Bericht entnehmen.

Bericht Coilcraft: 03_20.01.pdf

Infoservice
Coilcraft Inc.
1102 Silver Lake Road, Cary, IL 60013, USA
Tel. 001 847 639 64 00, Fax 001 847 639 14 69
tech_support@coilcraft.com, www.coilcraft.com



Bild 1: Typische Beispiele für Flyback (oben) und Forward (unten)


Bild 2: Active Clamp Forward mit synchroner Gleichrichtung


Bild 3: Flyback mit synchroner Gleichrichtung