Vollbrückengleichrichter

Bauteilauswahl und thermisches Design

Die Auswahl der Bauteile für einen Vollbrückengleichrichter läuft darauf hinaus, die Diodenfamilie an die Anwendung anzupassen und die Bauteile dann für die Bedingungen auszulegen, denen sie tatsächlich ausgesetzt sein werden, und nicht für die nominalen.

Standard-Recovery-Dioden sind der Standard für die Gleichrichtung bei Netzfrequenz. Sie sind kostengünstig und robust, und ihre langsame Sperrverzögerung ist bei 50 oder 60 Hz irrelevant. Fast-Recovery-Dioden werden dort eingesetzt, wo die Brücke höherfrequentes Schalten erlebt oder wo der Sperrverzögerungsstrom inakzeptables Rauschen erzeugen würde. Schottky-Dioden bieten einen viel niedrigeren Durchlassspannungsabfall und eine vernachlässigbare Erholungsladung, haben aber begrenzte Sperrspannungswerte und höheren Leckstrom, der sich mit der Temperatur verschlechtert, was sie überwiegend auf Niederspannungsausgänge beschränkt. Siliziumkarbid-Schottky-Dioden heben diese Spannungsbeschränkung auf und eliminieren Erholungsverluste praktisch vollständig, zu einem Aufpreis, den Hochleistungs- und Hocheffizienz-Designs zunehmend akzeptieren.

Die Wahl zwischen diskreten Dioden und einer gehäusten Brücke ist weitgehend eine thermische und mechanische. Ein gehäuster Voll-Diodenbrückengleichrichter ist kompakt, günstig und einfach zu montieren, konzentriert jedoch die Verluste aller vier Bauteile auf einen einzigen thermischen Pfad. Diskrete Dioden verteilen die Wärme, ermöglichen eine individuelle Kühlkörpermontage und geben die Freiheit, Bauteiltypen zu mischen — auf Kosten von Platinenfläche und Montagekomplexität.

Die Kennwerte verdienen Sorgfalt. Der mittlere Durchlassstrom ist bei einem Kondensatoreingangs-Design die am wenigsten nützliche Zahl im Datenblatt, denn der repetitive Spitzenstrom ist um ein Mehrfaches höher. Der nicht-repetitive Stoßstromwert bestimmt das Überleben des ersten Einschaltstroms. Die Sperrspannung sollte den zuvor beschriebenen Sicherheitsabstand aufweisen. Und all diese Kennwerte verschlechtern sich mit der Sperrschichttemperatur, sodass Derating-Kurven bei der Temperatur gelesen werden müssen, die das Bauteil tatsächlich erreicht, und nicht bei der 25 °C-Nennbedingung.

Tabelle 3 — Auswahl der Diodenfamilie für einen Vollbrückengleichrichter

Aktive und synchrone Vollbrückengleichrichtung

Der feste Durchlassspannungsabfall einer Diode ist eine Untergrenze für den Wirkungsgrad, die kein noch so gutes thermisches Design beseitigt. Ein aktiver Vollbrückengleichrichter durchbricht diese Untergrenze, indem er die Dioden durch MOSFETs ersetzt und diese gezielt synchron mit dem Eingang schaltet. Da sich ein MOSFET im eingeschalteten Zustand wie ein Widerstand verhält, sinkt der Leitungsverlust mit dem Durchlasswiderstand des Bauteils, statt bei einer festen Spannung zu verharren. Das Parallelschalten von Bauteilen oder die Wahl von Bauteilen mit geringerem Widerstand erkauft unmittelbar Wirkungsgrad, was mit einer Diode unmöglich ist.

Zwei Implementierungen sind gebräuchlich. Spezielle Ideal-Dioden-Brücken-Controller erfassen die Eingangspolarität und steuern die MOSFET-Gates automatisch an, bieten dieselbe Schnittstelle mit zwei Eingangs- und zwei Ausgangsanschlüssen wie eine herkömmliche Brücke und lassen sich mit geringem Neuentwurf in bestehende Designs einfügen. Vollständig gesteuerte aktive Eingangsstufen gehen noch weiter und nutzen dieselbe Vier-Schalter-Struktur, um den Eingangsstrom zu formen und den DC-Bus zu regeln — so erreichen große Antriebe und Ladegeräte einen Leistungsfaktor nahe eins ohne eine separate Stufe.

Die synchrone Gleichrichtung führt Fehlerarten ein, die Dioden nicht haben. Wenn beide Bauteile in einem Zweig gleichzeitig leiten — selbst kurzzeitig —, entsteht ein Shoot-Through-Kurzschluss über der Quelle. Die Gate-Ansteuerung muss daher eine Totzeit enthalten, ein Intervall, in dem beide Bauteile ausgeschaltet sind. Während dieses Intervalls führt die Body-Diode des MOSFET den Strom, und da Body-Dioden im Allgemeinen schlechte Durchlass- und Erholungseigenschaften haben, gibt eine zu große Totzeit einen Großteil des Wirkungsgrads wieder her, den die Topologie eigentlich gewinnen sollte. Die Abstimmung dieses Intervalls ist das zentrale Designproblem der Vollbrückengleichrichtung mit aktiven Bauteilen.

Die zusätzliche Komplexität lohnt sich dort, wo der feste Diodenspannungsabfall einen großen Anteil des Ausgangs ausmacht: Niederspannungsschienen, hohe Ausgangsströme, thermisch beengte Gehäuse und batteriebetriebene Geräte, bei denen jeder Bruchteil eines Prozents an Wirkungsgrad die Laufzeit verlängert. An einem Hochspannungs-DC-Bus bleibt eine Diodenbrücke meist die sinnvolle Antwort.

Warum verwenden wir vier Dioden in einem Vollbrückengleichrichter?

Vier ist die kleinste Anzahl von Dioden, die beide Polaritäten eines Eingangs ohne Hilfe einer Transformatoranzapfung auf einen Ausgang einer einzigen Polarität leiten kann. Zwei von ihnen bilden den Pfad, der während der positiven Halbwelle leitet; die anderen zwei bilden den Pfad, der während der negativen Halbwelle leitet. Entfernt man eine davon, verliert die Brücke ihre Fähigkeit, eine Polarität zu verarbeiten, und fällt auf Einwegverhalten zurück.

Die Alternative, die weniger Bauteile verwendet — die mittelangezapfte Schaltung — erkauft diese Reduzierung mit einem speziell gewickelten Transformator und mit Dioden, die etwa die doppelte Sperrspannung blockieren müssen. Mit anderen Worten, die vierte Diode in einem Vollbrückengleichrichter ist keine Redundanz. Sie ist das, was die Transformatoranforderung vollständig beseitigt, und genau deshalb kann die Brücke in Geräten, die überhaupt keinen Transformator haben, direkt ans Netz angeschlossen werden.

Den besten Vollbrückengleichrichter auswählen

Die Auswahl geeigneter Vollbrückengleichrichter für ein gegebenes Design ist eine Sache, fünf Fragen der Reihe nach durchzuarbeiten.

Beginnen Sie mit der Sperrspannung , der die Bauteile ausgesetzt sein werden, nehmen Sie den Spitzenwert des höchsten erwarteten Eingangs und wenden Sie einen großzügigen Sicherheitsabstand für Transienten an. Ermitteln Sie dann das Stromprofil: nicht nur den mittleren DC-Ausgangsstrom, sondern auch den repetitiven Spitzenstrom, den der Kondensatoreingangsfilter fordern wird, und den einmaligen Stoßstrom beim Einschalten. Entscheiden Sie drittens, wie viel Sie der Durchlassspannungsabfall kostet — an einer Niederspannungsschiene kann er Schottky-Bauteile oder eine aktive Brücke rechtfertigen, an einer Hochspannungsschiene nicht.

Arbeiten Sie viertens den thermischen Pfad aus, bevor Sie ein Gehäuse wählen. Die Gesamtverlustleistung ist der Durchlassspannungsabfall multipliziert mit dem Strom, verdoppelt für die zwei leitenden Bauteile, und sie muss das Gehäuse verlassen und über die vom Gehäuse zugelassene Kühlung die Umgebung erreichen. Eine gehäuste Brücke, die elektrisch ausreichend ist, wird dennoch versagen, wenn das thermische Design freie Luft annimmt, die das Gehäuse nicht bietet.

Berücksichtigen Sie schließlich die Betriebsumgebung: Umgebungstemperatur, Höhe, Versorgungsqualität, Vibration und ob das Gerät häufig aus- und eingeschaltet wird. Insbesondere häufiges Schalten untergräbt die NTC-basierte Einschaltstrombegrenzung und drängt das Design zu einer aktiven Vorladeanordnung.

Wo Vollbrückengleichrichter in der modernen Leistungselektronik vorkommen

Das Vollbrückengleichrichter ist keine veraltete Schaltung, die von Lehrbüchern am Leben gehalten wird. Er ist die Eingangsstufe der meisten Geräte, die Strom aus einer Wechselstromversorgung beziehen.

In Laden von Elektrofahrzeugenbeginnen sowohl Onboard-Ladegeräte als auch externe DC-Schnellladegeräte damit, den eingehenden Wechselstrom gleichzurichten, um einen DC-Zwischenkreis herzustellen, den nachgelagerte Wandler dann in die vom Akku benötigte Spannung und den benötigten Strom formen. Dreiphasige Versionen derselben Brücke übernehmen diese Aufgabe in Ladegeräten höherer Leistung. In Motorantriebe modellierenrichtet die Eingangsstufe die Versorgung zu einem DC-Bus gleich, aus dem der Wechselrichter eine frequenzvariable Ausgangsleistung synthetisiert — der Gleichrichter definiert den Bus, von dem der gesamte Antrieb ausgeht. In Schaltnetzteilensitzt die Brücke direkt am Netz vor einer Leistungsfaktorkorrektur-Boost-Stufe, weshalb der von ihr aufgenommenen Stromkurvenform so viel Aufmerksamkeit geschenkt wird.

Luft- und Raumfahrt sowie Schifffahrt nutzen in der Leistungswandlung Gleichrichter-Eingangsstufen, um die Generatorausgangsleistung in ein DC-Verteilsystem zu bringen, oft bei Frequenzen weit über 50 oder 60 Hz. Wandler für erneuerbare Energien und Speicher verwenden sie überall dort, wo eine Wechselstromquelle oder ein Netzanschluss einen DC-Bus speisen muss. Und in einer ganz anderen Rolle wird ein Vollbrücken-Dioden als Anordnung zum Verpolungsschutz eingesetzt, der den Versorgungsstrom unabhängig davon durchlässt, in welcher Richtung der Eingang angeschlossen ist — ein häufiges Merkmal in Industrie- und Automobilausrüstung, bei der die Feldverdrahtung nicht garantiert werden kann.

Netzqualität und Oberschwingungen am Gleichrichtereingang

Ein kondensatorgekoppelter Vollbrückengleichrichter zieht nur während des kurzen Zeitfensters jeder Halbwelle Strom, in dem der Eingang die gespeicherte Spannung übersteigt. Das Ergebnis ist eine Reihe kurzer, hoher Stromimpulse statt eines Sinus, der der Spannung folgt.

Dies hat Folgen, die über das Gerät selbst hinausgehen. Der gepulste Strom ist reich an Oberschwingungen, und obwohl die Grundschwingungskomponente nahezu in Phase mit der Spannung sein kann, verschlechtert die Verzerrung den echten Leistungsfaktor dennoch erheblich. Eine Gleichrichter-Eingangsstufe kann daher nach einem Maßstab gut und nach einem anderen schlecht erscheinen — der Verschiebungsfaktor nahe eins, der Verzerrungsfaktor weit davon entfernt. Multipliziert man das über viele Einheiten an derselben Versorgung, summieren sich die Oberschwingungsströme und verzerren die Spannungskurvenform für alles andere, was in der Nähe angeschlossen ist.

Deshalb folgt in modernen netzbetriebenen Geräten fast immer eine aktive Leistungsfaktorkorrektur-Stufe auf die Brücke. Die PFC-Stufe zwingt den Eingangsstrom dazu, der Spannungskurvenform zu folgen, und wandelt die gepulste Stromaufnahme in etwas nahezu Sinusförmiges um. Sie ist auch der Grund, warum netzgebundene Geräte in den meisten Märkten Grenzwerten für Oberschwingungsemissionen unterliegen, und warum die Eingangsstromkurvenform eines Gleichrichter-Designs gemessen und nicht angenommen werden muss.

Häufige Fehlerarten und ihre Diagnose

Die meisten Ausfälle bei einem Vollbrückengleichrichter kündigen sich deutlich an, sobald man weiß, worauf man achten muss.

Ein kurzgeschlossene Diode legt auf abwechselnden Halbwellen einen direkten Pfad über die Versorgung. Sie nimmt in der Regel die Eingangssicherung mit, und wenn die Sicherung überlebt, sieht der Transformator oder die Versorgung einen hohen Strom und erwärmt sich schnell. Eine offene Diode ist ruhiger und heimtückischer: Die Brücke arbeitet weiter, aber nur auf einer Polarität. Das Symptom ist ein halbierter Ausgang mit deutlich größerer Welligkeit und — diagnostisch entscheidend — Welligkeit mit der Netzfrequenz statt mit deren Doppeltem.

Thermisches Versagen folgt auf unterdimensionierte Kühlkörper oder ein Gehäuse, das heißer läuft als im Design angenommen. Der Leckstrom steigt mit der Sperrschichttemperatur, was die Verlustleistung erhöht, was die Temperatur weiter erhöht, sodass sich das Versagen tendenziell beschleunigt. Kondensatoralterung zeigt sich als langsam zunehmende Welligkeit über Monate oder Jahre, während der Ersatzserienwiderstand steigt und die Kapazität sinkt; die Dioden sind unschuldig, leiden aber unter den daraus resultierenden höheren Spitzenströmen. Überspannungsschäden durch Blitzeinschlag oder Schalttransienten treten typischerweise als kurzgeschlossenes Bauteil mit sichtbaren Gehäuseschäden auf.

Die Diagnose ist mit drei Techniken unkompliziert. Ein Multimeter im Diodentest-Modus identifiziert bei getrennter Brücke kurzgeschlossene und offene Bauteile direkt. Bei Volllast gemessene Welligkeit, unter Beachtung sowohl ihrer Frequenz als auch ihrer Amplitude, unterscheidet eine verlorene Diode von einem ermüdeten Kondensator. Und Thermografie unter Last findet das Bauteil, das heiß läuft, bevor es ausfällt — was weit nützlicher ist, als es hinterher zu finden.

Prüfung und Validierung eines Vollbrückengleichrichter-Designs

Ein Vollbrückengleichrichter lässt sich leicht modellieren und leicht aufbauen. Die Fehler zeigen sich im Zusammenspiel der beiden — zwischen dem Gleichrichter, der ihn speisenden Quelle und dem Wandler, der aus ihm bezieht. Genau auf dieses Zusammenspiel konzentrieren wir uns, und genau dort sind die meisten Validierungsprogramme am dünnsten.

Wichtige Messungen auf dem Prüfstand

Fünf Messungen unterscheiden eine Gleichrichter-Eingangsstufe, die auf dem Prüfstand funktioniert, von einer, die im Feld funktioniert. Die Welligkeit muss bei Volllast statt im Leerlauf gemessen und ihre Frequenz ebenso wie ihre Größe geprüft werden. Der Temperaturanstieg muss bei Nennstrom im tatsächlichen Gehäuse und nicht in freier Luft erfasst werden. Der Einschaltstrom muss bei Kaltstart erfasst und nach einer kurzen Unterbrechung der Stromversorgung wiederholt werden, denn genau das ist die Bedingung, die eine thermistorbasierte Begrenzung außer Kraft setzt. Die Eingangsstromkurvenform und die Verzerrung müssen gemessen und nicht aus dem DC-Ausgang abgeleitet werden. Und das Verhalten muss an den Extremen des Versorgungsbereichs bestätigt werden, einschließlich Unterspannungsbedingungen, bei denen sich die Stromflusswinkel verbreitern und die Spitzenströme verschieben.

Echtzeitsimulation der Gleichrichterstufe

Die Offline-Simulation bewältigt den idealen Gleichrichter gut und die interessanten Fälle schlecht. Sie hat Schwierigkeiten mit dem zeitlichen Detail schmaler Stromflussfenster, mit dem Zusammenspiel zwischen Gleichrichter und nachgelagerten Regelkreisen und mit allem, was einen realen Regler betrifft, der auf eine reale Störung reagiert. Die Echtzeitsimulation schließt diese Lücke, indem sie Modelle der Quelle, der Gleichrichterstufe und des nachgelagerten Wandlers schnell genug ausführt, um im laufenden Betrieb Signale mit physischer Hardware auszutauschen. Mit PowerHIL Studio , das auf der CHP-Serie-Plattformläuft, modellieren wir die Gleichrichter-Eingangsstufe und das System um sie herum mit dem Zeitschritt, den das Schaltverhalten tatsächlich erfordert, sodass Regelungswechselwirkungen im Test statt im Feld auftreten.

Power-Hardware-in-the-Loop für Gleichrichter-Eingangsstufen

Power-Hardware-in-the-Loop geht noch weiter, indem sie die reale Gleichrichter-Hardware zwischen eine Netzemulator und eine emulierte Last stellt. Unter Verwendung von GridSim Studio, setzen wir den Gleichrichter Spannungseinbrüchen, Spannungsanstiegen, Phasenausfall, Frequenzabweichungen, verzerrten und unsymmetrischen Versorgungen sowie Fehlerbedingungen aus, die auf einem Prüfstand mit einer realen Versorgung unsicher, zerstörerisch oder schlicht unpraktisch zu erzeugen wären. Die DC-Seite lässt sich mit einem emulierten Wandler oder Akku statt mit einer Widerstandsbank belasten, sodass der Gleichrichter die gepulste, dynamische Belastung sieht, der er im Betrieb begegnen wird. Jede einzelne dieser Bedingungen ist auf Abruf wiederholbar, was die Gleichrichter-Validierung von einer Stichprobe in eine systematische Aufgabe verwandelt.

Fazit

Das Vollbrückengleichrichter besteht fort, weil seine Vier-Dioden-Anordnung das AC-zu-DC-Problem ohne Transformatoranzapfung, ohne verschwendete Halbwelle und mit Welligkeit bei einer vergleichsweise leicht zu filternden Frequenz löst. Es richtig zu verstehen bedeutet, über das Vollbrückengleichrichter-Diagramm hinaus zu den Konsequenzen zu gehen, die daraus folgen: zwei Durchlassspannungsabfälle im Leitungspfad, Spitzendiodenströme weit über dem mittleren Ausgangsstrom, sobald ein Glättungskondensator eingebaut ist, ein verzerrter Eingangsstrom, der in der Regel eine nachgeschaltete Leistungsfaktorkorrektur-Stufe erfordert, und ein thermisches Design, das darüber entscheidet, ob die Schaltung überlebt.

Die Entwicklungsrichtung geht hin zu aktiven Bauteilen und gesteuerten Eingangsstufen. Die synchrone Vollbrückengleichrichtung mit MOSFETs beseitigt den festen Diodenspannungsabfall dort, wo der Wirkungsgrad die Komplexität rechtfertigt, und vollständig gesteuerte Eingangsstufen fassen Gleichrichtung und Leistungsfaktorkorrektur in einer Stufe zusammen. Beide erhöhen den Validierungsaufwand erheblich, weil sich die Fehler von den Bauteilen in die Regelungswechselwirkungen zwischen ihnen verlagern. Eine Gleichrichter-Eingangsstufe gegen ein reales Netz und eine reale Last zu testen — einschließlich der Störungen, denen sie im Betrieb nur einmal begegnet — ist das, was diese Lücke schließt.