SEPIC

Single Ended Primary Inductance Converter

Boost: U_in < U_out mit U_out = 0 möglich (true shutdown)

Buck-Boost: U_in < U_out < U_in ohne flyback Transformator

SEPIC steht für Single Ended Primary Inductance Converter. Single Ended heißt, daß nur ein Schalter verwendet wird, um Energie in den Konverter zu steuren. Man bezeichnet diese Technologie auch als cascaded boost oder buck-boost.

SEPIC ist nützlich, um Boost-Kreise zu ersetzen, wenn ein true shutdown (U_out=0, wenn Schalter geschlossen) verlangt wird. In einem Boost-Konverter kann die Ausgangsspannung nur auf U_in-U_DIODE abfallen.

SEPIC Konverter erlauben eine Ausgangsspannung, die unter- oder oberhalb der Eingangsspannung liegt. In der Vergangenheit konnte dies nur ein Flyback-Konverter. Beim SEPIC wird der dazu notwendige Transformator durch zwei Spulen ersetzt.

Ein SEPIC benutzt einen Boost-Regulator, der einen Schalter gegen Masse schließt, d.h. daß jeder Boost/Flyback Regler passend ist. Die Funktion des Arbeitszyklus D = U_out/U_in+U_out, also dieselbe wie die eines Flybacks (N_prim./N_sek.=1) oder eines Back-Boost Reglers. Wenn D auf maximal 0.8 beschränkt wird, können die Regelungen besser kontroliert werden und die Maximal mögliche Ausgangsspannung liegt beim vierfachen der Eingangsspannung.

SEPIC  gegen Flyback

Ein SEPIC kann einen Flyback Konverter in einer Reihe von Anwendungen ersetzten, wobei jedoch einige Dinge zu berücksichtigen sind.

Beim SEPIC wird der Eingang durch eine Induktivität gespeist, wodurch die Eingangswelligkeit in den Konverter relativ gering ist. Das erlaubt die Verwendung eines kleinen Eingangskondensators mit geringem Wechselstrommittelwert. Bei einem Flyback, aufgrund dessen, daß der Energietransfer von der Primär- zur Sekundärseite während des Schaltzykluses erfolgt, ist die Eingangsstromwelligkeit sehr groß. Daher muß ein großer Eingangskondensator verwendet werden.

Der SEPIC Kondensator läßt die gesamte Energie zum Ausgang durch und sieht daher große Wechselströme, aber nur kleine Wechselspannungen.

Der SEPIC eliminiert auch den Transformator und ersetzt ihn durch zwei Induktivitäten, die leichter erhältlich sind. Ohne dem Trafo ist jedoch nur ein Ausgang möglich und es sind keine hohen Ausgangsspannungen möglich, die beim Flyback durch die Wahl des Windungszahlverhältnisses festgelegt werden.

Da der SEPIC zwei Induktivitäten und zwei Kondensatoren besitzt, ist er schwieriger zu kompensieren.

SEPIC  gegen Boost

Für Boost Anwendungen liegen die Vorteile des SEPIC in der Strombegrenzung und dem true shutdown.

Wenn der Regulator bei einem Boost auf null schaltet, ist der Schalter offen, aber es ist ein Potentialweg vom Ausgang zum Eingang über L und C vorhanden. Resultierend daraus fällt U_our nicht auf null, sondern auf U_in-U_DIODE. Wenn bei einem SEPIC der Schalter offen ist, so liegt eine Potentialtrennung durch den SEPIC Kondensator vor, wodurch die Ausgangsspannung auf null abfällt.

Ein kurzgeschlossener Boost-Konverter legt U_in an Induktivität und Diode ohne den Strom zu begrenzen. Nur die Strombegrenzung des Regulators schützt den Schalter vor Zerstörung. In einem SEPIC wird keine Energie an den Ausgang geliefert, während der Schalter geschlossen ist. Da der Schalter sich öffnet, sobald ein zu hoher Strom anliegt, ist auch die an den Ausgang gelieferte Leistung begrenzt.

SEPIC Switching States

Der initialisierte Status des SEPIC Kondensators, also jener Status der als Ausgangsbedingung angenommen wird, ist in Bild 1 gezeigt. Der SEPIC Kondensator hat sich auf U_IN aufgeladen. Die Ausgangsspannung U_OUT beträgt null Volt, und es fließt kein Strom durch einen Bauteil.

Wird der Schalter nun geschlossen, so liegt an L1 die gesamte Eingangsspannung U_IN an. Der Strom durch die Spule steigt rampenförmig an, womit in L1 Energie gespeichert wird.

Dadurch, daß sich der SEPIC Kondensator auf U_IN aufgeladen hat, wirkt er für L2 ebenfalls als Eingangsspannung U_IN womit auch durch L2 ein Strom fließt und die Energie des Kondensator in die Spule umgeladen wird. Die Diode ist gesperrt.

Nun fließt durch beide Spulen ein Strom. Dies kann sich nicht sprunghaft ändern wenn der Schalter geöffnet wird, da die Spulen durch die gespeicherte Energie den Strom beibehalten wollen.

Der Schalter öffnet sich. Der Strom durch L1 kann nun nur durch den SEPIC Kondensator zum Ausgangskondensator C_OUT und zum Ausgang fließen. Das selbe gilt natürlich auch für den Strom der Spule L2.

Das der Strom durch L1 weiter fließen kann, muß die Spannung am Schalter auf U_IN + U_OUT + U_DIODE ansteigen. Der Strom, der durch den SEPIC Kondensator fließt, lädt ihn wiederum auf U_IN auf, sodaß er die Spule L2 mit seiner gespeicherten Energie laden kann, sobald der Schalter wieder geschlossen wird.

Es besteht ein Energie-Gleichgewicht zwischen dem SEPIC Kondensator und L2, welche zur Dimensionierung des SEPIC Kondensators behilflich ist. Wird die Kapazität des SEPIC Kondensators klein gehalten, so werden stabile Operationen sichergestellt.

Dimensionierung

L₁:

Voraussetzung:   DI_L1 I_L1AVG

Mittlerer Strom in der Spule, eine Funktion aus Ausgangsstrom und Arbeitszyklus

Spule L₁

Maximaler Strom in der Spule L₁

Welligkeitsstrom

Die Größe von L₁ kann über das Minimum hinaus erhöht werden, wodurch sich der Eingangs- und Ausgangswelligkeitsstrom vermindern lassen. Wenn DI_L1 weniger als 20% von I_L1AVG wird, ist die Ausgangswelligkeit minimal.

Die obigen Formeln hängen von D ab, der Schalterarbeitsfunktion. Für D gilt:  D=(U_out+U_Diode)/(U_out+U_in-U_sat+U_Diode). D sollte mit 0.8 gewählt werden, für Beste Kontrolle über den Regulator.

L₂:

Voraussetzung:   DI I_out

              Mittlerer Strom in der Spule, ist gleich demAusgangsstrom

Spule L₂

Maximaler Strom in der Spule L₂

Welligkeitsstrom

Die Gleichungen für L₂ sind ähnlich denen für L₁, lassen aber die unterschiedlich angelegten Spannungen erkennen. Durch Erhöhen von L₂ über das geforderte Minimum wird DI₂ kleiner, was im Gegenzug dazu führt, das die Welligkeit der Ausgangsspannung sinkt.

Schalter:

Die Berechnung des Maximalstroms durch den Schalter legt den Maximal zulässigen Strom fest

Die Berechnung von der Maximal an der Diode auftretenden Spannung legt auch den Maximalen Spannungswert fest

Die Berechneung von Maximalstrom und Maximalspannung an der Diode helfen dabei den Schalt-Regulator, der in der Anwendung gebraucht wird, zu finden.. Wenn schon ein Regler ausgesucht wurde, legen diese Werte fest, ob der Schalter noch innerhalb seiner Toleranzen arbeitet.

Die Berechnung des Maximalen Diodenstroms während des Ladevorgangs muß berechnet werden, um festzulegen, daß der Maximal zulässige Strom nicht überschritten wird. Diese Berechnung sollte durchgeführt werden, bei einer minimalen Eingangsspannung, wenn I_L1AVG am größten ist.

Die Maximale Diodenspannung sollte bei größter Eingangsspannung berechnet werden, wiederum um den Schalter innerhalb seiner Toleranzen zu betreiben.

SEPIC Kondensator:

Die Wahl des Bauteils hängt vom Effektivwert des Stromes ab.

Die Größe von C kann sich in einem sehr großen Bereich bewegen (1000pF-100µF)

Mit steigender Leistung wird auch die Größe des Kondensators größer.

Höherer Wechselstromeffektivwert bedeutet höhere Kapazität

Höherer Strom bedeudet aber auch größere Spannungswelligkeit DU

Die Mittlere Spannung am Kondensator ist U_in

Die Größe des Kondensators hängt von der Energiebalance zwischen C und L₂ ab.

In einem SEPIC Kreis muß der SEPIC Kondensator für großen effektiven Wechselstrom gewählt werden in Bezug zur Ausgangsleistung. Wenn z.B. U_in=U_out, dann ist der effektive Wechselstrom durch den Kondensator 1.6 mal dem Ausgangsstrom (aus erster Formel berechnet). Wenn 2U_in=U_out, dann ist der Strom durch den Kondensator 2.7 mal dem Ausgangsstrom.

Diese Tatsache macht den SEPIC besser für geringe Leistungs-Anwendungen, da der effektive Strom durch den Kondensator relativ klein ist.

Die Energiebalance zwischen dem SEPIC Kondensator und L₂ kann dazu benutzt werden, um den Kondensator zu berechnen. Gehen wir von der grundlegenden Energiebalance Formel aus:

die Differenz ist die gespeicherte Energie

Da      und wird

mit DU als Spannungswelligkeit. Damit wird der CU² Term C_SEPIC(2U_inDU). Ahnliche Substitutionen gelten für den LI² Term, der daher zu 2I_outDI wird. Die Resultierende Energiebalance ist dann:

Diode:

Der Mittlere Strom durch die Diode ist I_out

Der Maximalstrom durch die Diode ist derselbe wie der durch den Schalter

Die Sperrspannung an der Diode ist U_in+U_out