Warum liegt die Ausgangsspannung über der Eingangsspannung?

In der Leitphase speichert die Drossel Energie vom Eingang. In der Sperrphase addiert sich die Drosselspannung zur Eingangsspannung über die Diode und lädt den Kondensator auf eine Spannung oberhalb von V_in.

Warum darf das Tastverhältnis nicht 100 % werden?

Die Idealformel des nichtlückenden Betriebs strebt für D → 1 gegen unendlich, aber die reale Schaltung stößt an Sättigung, Strombegrenzung und die nötige Übertragungszeit über die Diode.

Was ist die Grenze zwischen nichtlückendem Betrieb und Lückbetrieb?

Der Moment, in dem der Drosselstrom am Periodenende null berührt. Unterhalb dieser Last ist das Übersetzungsverhältnis nicht mehr 1/(1 − D).

Hochsetzsteller

Hochsetzsteller für Gleichspannung: V_out = V_in/(1−D), Stromwelligkeit der Drossel, Zustände von Schalter und Diode, Grenze zwischen nichtlückendem und lückendem Strom, Ausgangswelligkeit.

Das Modell beschreibt einen idealen asynchronen Hochsetzsteller mit einfacher Abschätzung des Lückbetriebs. Nicht berücksichtigt sind Spannungsabfälle an Schalter und Diode, Schaltverluste, Sperrverzug, Sättigung der Drossel, die Nullstelle in der rechten Halbebene in der Regelung und transiente Lastvorgänge.

Diagramme

Zum Modell

Der Hochsetzsteller speichert Energie in der Drossel, solange der Schalter leitet, und gibt sie über die Diode in den Ausgangskondensator ab, sobald der Schalter sperrt. Im idealen nichtlückenden Betrieb gilt V_out/V_in ≈ 1/(1 − D), die Stromwelligkeit der Drossel ist ΔI_L = V_in D/(L f_s). Bei leichter Last oder kleiner Induktivität erreicht der Drosselstrom null — Lückbetrieb, in dem das Übersetzungsverhältnis bereits von der Last abhängt. Auf dem Bild: die Intervalle von Schalter und Diode, die Grenzinduktivität, der mittlere Drosselstrom, die Ausgangswelligkeit und die Stromform über die Periode. Spannungsabfälle an Schalter und Diode, Sättigung der Drossel und transiente Lastvorgänge bleiben unberücksichtigt.

Für wen: Leistungselektronik und erste Auslegung einer Hochsetzstufe: Speisung aus der Batterie, LED-Treiber.

Wichtige Begriffe

Hochsetzsteller
Tastverhältnis
Drosselstrom
nichtlückender Betrieb
Lückbetrieb
Ausgangswelligkeit

So funktioniert es

Im Hochsetzsteller lädt der Schalter zuerst die Drossel vom Eingang, danach gibt die Drossel die Energie über die Diode an den Ausgang ab. Im nichtlückenden Betrieb ist M = V_out/V_in ≈ 1/(1 − D), die Stromwelligkeit ΔI_L = V_in D/(L f_s). Grenze des nichtlückenden Betriebs: L_crit = D(1 − D)² R/(2 f_s). Im Lückbetrieb entsteht ein Intervall mit Strom null, und das Übersetzungsverhältnis hängt von der Last ab.

Wichtige Gleichungen

CCM: Vout ≈ Vin/(1 − D), ΔIL = Vin·D/(L fs)

Grenze: Lcrit = D(1 − D)²R/(2fs), ΔVout ≈ Iout·D/(Cfs) + ΔIESR·ESR

Häufige Fragen

Warum liegt die Ausgangsspannung über der Eingangsspannung?: In der Leitphase speichert die Drossel Energie vom Eingang. In der Sperrphase addiert sich die Drosselspannung zur Eingangsspannung über die Diode und lädt den Kondensator auf eine Spannung oberhalb von V_in.
Warum darf das Tastverhältnis nicht 100 % werden?: Die Idealformel des nichtlückenden Betriebs strebt für D → 1 gegen unendlich, aber die reale Schaltung stößt an Sättigung, Strombegrenzung und die nötige Übertragungszeit über die Diode.
Was ist die Grenze zwischen nichtlückendem Betrieb und Lückbetrieb?: Der Moment, in dem der Drosselstrom am Periodenende null berührt. Unterhalb dieser Last ist das Übersetzungsverhältnis nicht mehr 1/(1 − D).

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