Entwurf eines Interleaved-Wandlers für Hochstromanwendungen

Wichtigste Erkenntnisse

• Interleaving bietet seine Vorteile hinsichtlich Welligkeit, Verlusten und Wärmeentwicklung nur dann, wenn die Phasen den gleichen Strom führen; daher ist die Stromverteilung die erste Auslegungsbeschränkung.
• Geringe Einschaltdauern und Messfehler führen in Phasen mit niedrigem Widerstand zu großen Stromabweichungen, wodurch der Ausgleich zu einer Regelungsaufgabe wird, die sich nicht allein durch das Layout lösen lässt.
• Mithilfe einer phasenweisen Echtzeitsimulation können Sie das Regelverhalten über Toleranzen, Lastsprünge und Phasenabschaltungen hinweg nachweisen, bevor ein Hochstrom- hardware -System gebaut wird.

Ein Interleaved-Wandler liefert die versprochene Welligkeitsunterdrückung und thermische Reserve nur dann, wenn jede Phase ihren Anteil am Strom trägt.

Lasten ziehen bei niedrigeren Spannungen immer mehr Strom. Der Stromverbrauch in Hochleistungsservern wird im Basisszenario der Internationalen Energieagentur voraussichtlich jährlich um 30 % steigen, und die Prozessoren, die dieses Wachstum vorantreiben, beziehen ihre Energie bei niedriger Spannung und sehr hoher Stromstärke. Ein einzelner Schalter und eine einzelne Drossel können diesen Strom nicht ohne überdimensionierte magnetische Bauteile und erhebliche Verluste leiten. Die Aufteilung der Last auf parallele Phasen ist die Standardlösung.

Der Haken liegt in der Ausbalancierung. Beim Interleaving wird von identischen Phasen ausgegangen, doch in der Realität stimmen Induktivitäten, Schalter und Gate-Timing nie genau überein. Das im Lehrbuch beschriebene Ergebnis erhalten Sie nur, wenn ein Regelkreis die Phasenströme trotz Toleranzen, Temperaturdrift und Lastsprüngen konstant hält. Daher ist die Stromverteilung eine Regelungsfrage, die lange vor dem Layout geklärt werden muss und die Sie in einer Echtzeit-Simulation testen können, noch bevor eine Hochstrom- hardware -Schaltung vorliegt.

Was ein Interleaved-Wandler bei hohem Laststrom leistet

Ein Interleaved-Wandler teilt eine Leistungsstufe in mehrere identische, parallel geschaltete Phasen auf und schaltet diese mit derselben Frequenz und in gleichmäßigen Zeitabständen. Jede Phase führt einen Bruchteil des Laststroms, sodass die Schalter, Induktivitäten und Kupferleitungen auf diesen Bruchteil ausgelegt sind und die kombinierte Welligkeit am Ein- und Ausgang sinkt.

Betrachten wir als allgemeines Beispiel einen Interleaved-Buck-Wandler von 48 V auf 12 V, der 200 A liefert. Bei einer einphasigen Ausführung benötigt man eine Induktivität, die für mehr als 200 A ausgelegt ist, sowie Schaltelemente, die den gesamten Strom leiten. Bei vier Phasen beläuft sich der Strom pro Phase auf jeweils 50 A, was kleinere Kerne, kühlere Bauelemente und eine gleichmäßigere Wärmeverteilung über die Leiterplatte ermöglicht. Auch die Leitungsverluste sinken, da die Verluste in jedem Strompfad mit dem Quadrat des Stroms skalieren.

Vier Strompfade bei 50 A leiten ein Viertel der Leistung ab, die ein einzelner Strompfad mit demselben Widerstand bei 200 A ableitet. Diese Einsparung besteht nur, solange die Lastverteilung gleichmäßig bleibt, und nichts in der Leistungsstufe garantiert dies.

Wie Phasenverschiebung die Welligkeit am Ausgangskondensator ausgleicht

Durch die Phasenverschiebung wird die Welligkeit ausgeglichen, da die Ströme in den Induktivitäten zu unterschiedlichen Zeitpunkten ansteigen und abfallen, sodass ihre Summe glatter verläuft als jeder einzelne Strom. Bei N Phasen im Abstand von 360/N Grad tritt die summierte Welligkeit mit der N-fachen Schaltfrequenz auf, und ihre Amplitude nimmt ab, bis sie bei Tastverhältnissen, die Vielfache von 1/N sind, den Wert Null erreicht.

Der Fall von 48 V auf 12 V läuft mit einem Tastverhältnis von 0,25. Bei zwei Phasen im 180-Grad-Abstand verbleibt am Ausgang etwa zwei Drittel der Welligkeitsamplitude einer einzelnen Phase, während vier Phasen im 90-Grad-Abstand diese im Idealfall vollständig auslöschen. Die Auslöschung ist eine Eigenschaft der Summe, daher führt jede Induktivität weiterhin ihre volle Welligkeit und muss für ihren eigenen Spitzenwert ausgelegt sein. Ungleiche Phasenströme oder ungleichmäßige Abstände führen zudem zu einer Komponente bei der Schaltfrequenz, für die Ihre Ausgangskondensatoren nie ausgelegt waren.

Warum die Stromverteilung über den Ausgang des Interleaving entscheidet

Die Stromaufteilung entscheidet über das Ergebnis, da alle Vorteile des Interleaving auf der Grundlage gleich großer Phasenströme berechnet werden. Eine Phase, die mehr als ihren Anteil trägt, erwärmt sich stärker, nähert sich der Induktorsättigung an und altert schneller. Der Umrichter wird dann durch seine schwächste Phase begrenzt.

Zwei Mechanismen bestimmen die konstante Stromaufteilung. Die Phasen teilen den Strom umgekehrt proportional zu ihrem Pfadwiderstand auf; daher führt eine Phase, deren Induktivitäts- und Schaltwiderstand in einer 200-A-Auslegung 10 % unter dem der anderen drei liegt, etwa 54 A, während ihre Nachbarphasen weniger als 49 A führen. Eine Fehlanpassung des Tastverhältnisses wirkt sich weitaus gravierender aus. Ein Timing-Fehler von 0,1 % des Tastverhältnisses bei einer Eingangsspannung von 48 V entspricht einem Offset von 48 mV, und bei einem Phasenwegwiderstand von 2 mΩ ergibt sich nach dem Ohmschen Gesetz ein Strom von 24 A.

„Bei dem von Ihnen gewünschten effizienten Design gibt es so gut wie nichts, was die Ströme ausgleichen könnte.“

Diese Zahlen dienen zur Veranschaulichung und erklären, warum ein geringer Widerstand die Stromaufteilung verschlechtert. Bei dem von Ihnen angestrebten effizienten Aufbau gibt es im Strompfad fast nichts, was die Ströme ausgleichen könnte.

Die Symmetrie des Layouts wirkt sich positiv auf den Widerstand aus, hat jedoch keinerlei Einfluss auf das Timing oder die Drift. Deshalb muss die Balance in einem Regelkreis eingestellt werden.

Festlegen der Phasenanzahl für einen Interleaved-Buck-Wandler

Die richtige Phasenanzahl ist die kleinste Zahl, bei der der Strom pro Phase innerhalb der Belastungsgrenze eines Induktors und eines Schalterpaares bleibt, während gleichzeitig ein Welligkeitsminimum nahe am normalen Tastverhältnis liegt. Jede zusätzliche Phase verringert die Belastung und erfordert einen zusätzlichen Gate-Treiber, einen Stromsensor sowie eine weitere Regelungsschleife, um das Gleichgewicht aufrechtzuerhalten.

Der aktuelle Wert legt die Untergrenze fest. Elektrolyseur-Stacks sind ein gutes Beispiel hierfür, da sie Tausende von Ampere Gleichstrom bei niedriger Spannung aufnehmen und die weltweit installierte Kapazität für die Wasserelektrolyse im Jahr 2024 2 GW erreichte. Ein Wandler, der einen dieser Stacks versorgt, arbeitet mit vielen Phasen, allein um die Herstellbarkeit der einzelnen Induktoren zu gewährleisten. Eine Prozessorspannungsversorgung von 12 V auf 1 V weist aus einem anderen Grund eine hohe Phasenanzahl auf, nämlich aufgrund des Einschwingverhaltens.

Jede hinzugefügte Phase vergrößert zudem die Bandbreite der Bauteil-Toleranzen, die der Ausgleichskreis auffangen muss, und der Wirkungsgrad bei geringer Last leidet darunter, sofern Sie keine Phasen abschalten. Das Abschalten und Hinzufügen von Phasen unter Last ist selbst ein Ausgleichsvorgang, den Sie testen müssen.

Regelverfahren, die die Phasenströme bei Lastsprüngen im Gleichgewicht halten

Die Phasenströme bleiben ausgeglichen, wenn jeder Phasenstrom gemessen und sein Tastverhältnis auf den Mittelwert aller Phasen abgestimmt wird. Bei der Regelung im Spitzen- und Mittelstrommodus geschieht dies von Natur aus, da jede Phase über einen eigenen Stromregelkreis verfügt. Bei Spannungsmodus-Ausführungen kommt ein langsamerer Verteilungsregelkreis hinzu, der das Tastverhältnis pro Phase anpasst.

Bei Lastsprüngen zeigt sich, wie gut die Wahl war. Stellen Sie sich einen 200-A-Wandler vor, der innerhalb weniger Mikrosekunden von 40 A auf Volllast hochfährt. Eine zu langsame Verteilungsregelung lässt eine Phase den Sprung übernehmen und ihren Induktor sättigen, bevor die anderen reagieren, während eine zu schnelle Regelung mit der Spannungsregelung in Konflikt gerät. Die Messung ist ebenso wichtig wie der Kompensator, da der gemessene Induktorwiderstand temperaturabhängig driftet und ein Verstärkungsfehler in einem Kanal zu einem dauerhaften Ungleichgewicht führt, das die Regelung getreulich aufrechterhält.

Was Echtzeitsimulationen über das phasenbezogene Verhalten verraten

Bei der Echtzeitsimulation eines Interleaved-Wandlers wird jeder Phasenstrom als eigenständiges Signal dargestellt, während Ihr Regler mit dem Modell zusammenarbeitet. Da die Anlage auf einem FPGA mit Zeitschritten ausgeführt wird, die weit kürzer sind als die Schaltperiode, reagieren die simulierten Induktivitätsströme auf die tatsächlichen Gate-Signale, einschließlich der Zeitfehler, die zu einer Unwucht führen.

Eine Simulation eines Interleaved-Wandlers macht sich bezahlt, wenn Sie die Fehlanpassungen einspeisen, die ein Laborprototyp verbirgt oder die sich dort negativ auswirken. OPAL-RT modelliert die Stromverteilung pro Phase in Echtzeit, sodass Sie eine Induktivität um 20 % zu niedrig einstellen oder ein Gate- Vorteil verschieben können und beobachten können, wie die Ausgleichsschleife reagiert, ohne dabei ein Risiko einzugehen hardware. Eine sinnvolle Testreihe umfasst fünf Prüfschritte.

• Gleichmäßige Lastverteilung über den gesamten Toleranzbereich der Komponenten
• Ladeschritte und Lastabwürfe mit der schnellsten Anstiegsgeschwindigkeit, die von der Anwendung vorgegeben wird
• Phasenabwurf und Phasenzugabe bei fließendem Strom
• Fehler bei der Sensorverstärkung und beim Offset jeweils auf einem Kanal
• Ausfall einer Phase, wobei die verbleibenden Phasen die Last tragen

Jedes dieser Verfahren ist bei 200 A auf einem Prüfstand zwar umständlich, im Modell jedoch Routine. Fehlversuche kosten nichts, die Durchläufe lassen sich exakt wiederholen, und die Testergebnisse lassen sich auf die Leistungsstufe übertragen.

Wo die Ausgleichsregelung in einem Hochstrom-Entwurfskonzept ihren Platz hat

Die Regelungsauslegung sollte zu Beginn eines Interleaved-Designs erfolgen, noch vor dem Layout und der Beschaffung der magnetischen Bauteile. Die Phasenanzahl, das Erfassungsverfahren und die Regelschleifenstruktur bestimmen, wie viel Fehlanpassung der Wandler toleriert, was wiederum festlegt, wie genau die Induktivitäten spezifiziert und die Leiterplatte ausgelegt werden müssen.

Unternehmen, die damit bis zum letzten Moment warten, müssen das Problem meist auf die harte Tour lernen. Der erste Prototyp regelt seine Leistung perfekt, die Wärmebildkamera zeigt eine heiße Phase an, und die Lösung besteht dann in einer Neugestaltung der Leiterplatte oder einer Leistungsreduzierung. Beides ist bei hohen Stromstärken nicht gerade billig.

Wenn man den Entwurf eines Interleaved-Buck-Wandlers zunächst als Regelungsproblem betrachtet, kostet das einige Wochen Modellierungsarbeit. Man legt die Phasenanzahl in Abhängigkeit vom Tastverhältnis fest, definiert die zulässige Unsymmetrie und stellt sicher, dass der Regelkreis diese Werte auch bei Toleranzen einhält, bevor das Kupfer geschnitten wird. Genau diese Arbeit unterstützt die Echtzeitsimulation von OPAL-RT, wobei Ihr Regler den Regelkreis auf Basis eines phasenweisen Modells schließt.

„Das Interleaving belohnt Disziplin mehr als Klugheit.“

Durch das Einflechten wird Disziplin mehr belohnt als Klugheit. Phasen, die gleichmäßig verteilt sind, sorgen für den von Ihnen berechneten Welleneffekt, die Effizienz und die Lebensdauer. Phasen, die nicht gleichmäßig verteilt sind, führen zu einem Wandler, dessen Leistung sich nach seinem schwächsten Pfad richtet – und Sie sollten herausfinden, welchen Sie haben, solange es sich noch um ein Modell handelt.