Inverswandler

Ein Inverswandler, englisch inverting Buck-Boost Converter, ist in der Leistungselektronik eine Form von Gleichspannungswandler, der eine positive Eingangsspannung in eine negative Ausgangsspannung ohne galvanische Trennung wandelt. Der Sperrwandler basiert auf dem Inverswandler, ist aber bei sonst gleichen Funktionsprinzip um eine galvanische Trennung erweitert. Einsatzgebiete dieser elementaren Schaltung liegen als Komponente unter anderem im Bereich von Netzteilen wie Schaltnetzteilen.

Abgrenzung

Der englisch Four Switch Buck-Boost Converter, im Deutschen als Kaskadierter Ab-Aufwärtswandler bezeichnet, ist kein Inverswandler, trotz ähnlicher Bezeichnung. Er ist eine Kombination eines Abwärtswandlers und eines Aufwärtswandlers, mit nur einer gemeinsamen Induktivität. Bei dieser Topologie ist die Polarität von Eingangs- und Ausgangsspannung – im Gegensatz zum Inverswandler – gleich.

Beiden Buck-Boost-Topologien ist trotz des völlig anderen Aufbaus gemeinsam, dass die Ausgangsspannung dem Betrage nach sowohl kleiner als auch größer als die Eingangsspannung sein kann. Im Folgenden wird nur der invertierende Buck-Boost-Converter beschrieben.

Funktion

Prinzipschaltung eines Inverswandlers

In nebenstehender Schaltskizze liefert eine Gleichspannungsquelle eine konstante positive Spannung U_E. Der Schalter S, in realen Schaltungen üblicherweise in Form eines Transistors realisiert, schaltet für die Dauer t_ein die Spannung auf die Spule mit einer Induktivität L. Der Strom I durch die Spule ändert sich dabei um den Betrag:

\Delta I={\frac {U_{\text{e}}\cdot t_{\text{ein}}}{L}}

Nach der Einschaltdauer wird der Schalter S für die Dauer t_aus ausgeschaltet, wobei im Schaltvorgang der Strom durch die Spule konstant bleiben muss. Dadurch wird die Diode D leitend und lädt den Kondensator auf eine gegenüber dem Bezugspotential negative Spannung U_a auf:

-U_{\text{a}}=L\cdot {\frac {\Delta I}{t_{\text{aus}}}}

Danach wiederholt sich der Zyklus. Die Höhe der negativen Ausgangsspannung lässt sich durch das Pulsbreitenverhältnis η zwischen den beiden Schaltzuständen angeben:

-{\frac {U_{\text{a}}}{U_{\text{e}}}}={\frac {t_{\text{ein}}}{t_{\text{aus}}}}={\frac {\eta }{1-\eta }}

Der Inverswandler kann wie jeder Schaltwandler im Discontinuous Current Mode betrieben werden, dies ist dann der Fall, wenn der Strom in einem Zyklus durch die Spule auf 0 abfällt, oder im Continuous Current Mode. Die Schaltfrequenz richtet sich unter anderem nach der Last R und dem zulässigen Rippelstrom.

Literatur

Ulrich Schlienz: Schaltnetzteile und ihre Peripherie. 3. Auflage. Vieweg, 2007, ISBN 978-3-8348-0239-2.
Sanjaya Maniktala: Switching Power Supplies A-Z. 2. Auflage. Elsevier, 2012, ISBN 978-0-12-386533-5.

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