Schaltverstärker mit aktiv gedämpftem Filter 4. Ordnung und aktiver Rippelkompensation

Abstract

Spannungsverstärker mit einer sehr hohen Präzision spielen eine immer wichtigere Rolle in der Elektrotechnik. Generell werden an technische Systeme immer höhere Anforderungen gestellt, sie sollen präziser, kleiner, leichter und effizienter werden. Das hat zur Folge, dass auch die Anforderungen an die Energiewandler immer weiter steigen. Ein wichtiger Aspekt, um ein System kleiner zu machen, ist die Kühlfläche. Wenn ein System effizienter ist, kann unter anderem die Kühlfläche reduziert werden. Jedoch muss man oft Abstriche in der Qualität der Spannung zugunsten einer höheren Effizienz der Schaltung in Kauf nehmen. Diese ist jedoch für bestimmte Einsatzgebiete wie für die Mikropositionierung, Audiotechnik, Prüfspannungen, Testsysteme, wissenschaftliche Untersuchungen, usw. zwingend notwendig. Diese Arbeit befasst sich mit der Auslegung eines hybriden Leistungsverstärkers. Bei diesem kommt ein getakteter Schaltverstärker mit einer Schaltfrequenz von 200kHz in Kombination mit einem linearen Leistungsverstärker zum Einsatz. In einem ersten Schritt wird auf verschiedene Varianten der Kombination von Linear und Schaltverstärker eingegangen. Um einen hohen Ausgangsspannungsbereich zu erhalten, wird der Linearregler kapazitiv eingekoppelt. Dazu wird zunächst ein kaskadiertes LC-Filter 4.Ordnung für die Halbbrücke dimensioniert. Dieses wird mit einer aktiven Dämpfung versehen, um es zu stabilisieren. In diesem Zusammenhang wird die passive/aktive Dämpfung erörtert und verschiedene Filtercharakteristiken in Betracht gezogen. Für die aktive Rippelkompensation wird ein Analog-Verstärker designt und ausgelegt. Mit Hilfe eines zusätzlichen Reglers lässt sich der Regelkreis der Rippelkompensation stabilisieren. Die sich daraus ergebende Schaltung wird mithilfe einer Schaltungssimulationens-Software (LTSpice XVII) aufgebaut und analysiert. Zudem werden verschiedene Filterdrossel-Bauformen evaluiert, dimensioniert und anschließend mit Hilfe eines Finite-Elemente-Programms (FEMM 4.2) simuliert. Das Ergebnis dieser Arbeit ist ein Präzisionsspannungsverstärker mit sehr geringem Restrippel und hohem Ausgangsspannungsbereich bei gleichzeitig geringeren kontinuierlichen Verlusten.

Voltage amplifiers with a very high precision play an increasingly important role in electrical engineering. In general, technical systems are being connected to ever higher requirements - they are to be more precise, smaller, lighter and more efficient. As a result, the demands on energy converters are also becoming more and more demanding. An important aspect of making a system smaller is the cooling surface. If a system is more efficient, the cooling surface, among other things, can be reduced. However, one often has to accept a reduction in the quality of the voltage in favour of a higher efficiency of the circuit. Nevertheless, this is absolutely necessary for certain applications such as micro positioning, audio technology, test voltages, test systems, scientific testing, etc.This thesis deals with the design of a hybrid power amplifier. In this case, a switched-mode power amplifier with a switching frequency of 200kHz is used in combination with a linear power amplifier. In a first step different variants of the combination of linear and switched-mode amplifiers are discussed. To obtain a high output voltage range, the linear regulator is capacitively coupled. For this purpose, at first, a cascaded 4th order LC-filter is dimensioned for the half bridge. An active damping is added to stabilise it. In this context the passive/active damping is discussed and different filter characteristics are considered. For the active ripple compensation an analogue amplifier is designed and dimensioned. With the help of an additional controller the control loop of the ripple compensation can be stabilised. The resulting circuit is built and analysed with the help of a circuit simulation software (LTSpice XVII). In addition, various filter choke designs are evaluated, dimensioned and then simulated with the aid of a finite element program (FEMM 4.2). The result of this work is a precision voltage amplifier with very low ripple and a high output voltage range with lower continuous losses.