Beim Resonanzwandler handelt es sich nach Sperr- und Flusswandler um die dritte große Gruppe der primär getakteten Wandler mit galvanischer Trennung von Ein- und Ausgangsspannung. Resonanzwandler gibt es in zahlreichen Varianten, auf die ich nicht alle eingehen will. Zunächst unterscheidet man nach dem Schaltzeitpunkt der Transistoren. Man versucht entweder im Spannungs- oder im Stromnulldurchgang zu schalten, damit die Schaltverluste möglichst gering sind und man deshalb selbst bei sehr hohen Leistungen noch wirtschaftlich mit hohen Schaltfrequenzen arbeiten kann. Je nachdem nennt man die Wandler ZVS (Zero Voltage Switching) oder ZCS (Zero Current Switching). Selbstschwingende ZVS-Wandler sind alle in Kapitel 11 beschriebenen Sinusoszillatoren oder der in Kapitel 13.2 beschriebene Inverter für CCFL-Röhren. Weiterhin befinden sich in der Abteilung Schaltungstechnik/Oszillatoren leistungsfähige ZVS-Sinus- und Royer-Oszillatoren
In Bild 10 A ist die Grundschaltung eines ZCS-Wandlers zu sehen. Zunächst wird mit einer Halbbrücke eine Rechteckspannung erzeugt. Am Ausgang befindet sich ein Serienschwingkreis Lr/Cr, in dem der eigentliche Trenntransformator Tr ebenfalls in Serie geschaltet ist. Der Trafo selbst arbeitet als Flusswandler, dessen Ausgangsspannung direkt gleichgerichtet und mit dem Ausgangselko Ca gesiebt wird. Den maximalen Ausgangsstrom liefert der Wandler, wenn der Rechteckgenerator genau auf die Resonanzfrequenz f = 1/2π √(LrCr) abgestimmt ist. Bei einem ausgangsseitigen Kurzschluss würde sich der Schwingkreis unkontrolliert aufschaukeln und den Rechteckgenerator mit einem sehr hohen Strom belasten, bis dieser zerstört würde, sofern keine Schutzmaßnahmen getroffen würden. Die Dioden D 1 und D 2 begrenzen die Spannung am Schwingkreiskondensator Cr und führen überschüssige Energie wieder der Versorgungsspannung zurück. Die Spannungsbegrenzung an Cr bedeutet gleichzeitig auch eine Strombegrenzung im Kurzschlussfall. Der maximale Strom kann fließen, wenn die Spannung an Cr im Resonanzfall etwa gegenphasig zur Erregerspannung des Rechteckgenerators ist. Wenn die Bauteile diesen maximalen Strom dauerhaft vertragen, ist der Resonanzwandler prinzipiell dauerkurzschlussfest. Dies ist ein großer Vorteil des Resonanzwandlers, denn die etwas schwierigere Strombegrenzung von Halbbrücken-Endstufen kann komplett entfallen.Es ist allerdings zu beachten, dass es bei Überlastung durch die von D1 und D2 verursachten nichtlineare Verzerrungen zu einer erheblichen Phasenverschiebung des Ausgangsstromes kommen kann, sodass die zu einem festgelegten Zeitpunkt geschalteten Transistoren keineswegs im Stromnulldurchgang schalten. Der Resonanzwandler ist also nur solange KurzSchlussfest, wie die Transistoren das "harte schalten" unter Volllast vertragen. 
Wenn man die Dioden D 1 und D 2 weglässt, ist trotzdem eine Strombegrenzung möglich. Durch eine genaue Justierung des Oszillators könnte man erreichen, dass die Resonanzfrequenz nie genau erreicht wird. Das hat allerdings den Nachteil, dass man die Endstufe durch unvorsichtige Einstellung leicht zerstören kann und vor Allem verzichtet man auf den verlustarmen Umschaltzeitpunkt im Stromnulldurchgang..

Bild 10 A Grundschaltung eines ZCS-Resonanzwandlers

Der optimale Arbeitspunkt ist dann erreicht, wenn am Trafo gerade +/-Ue/2 anliegen. Die Spannung an Cr schwingt dann bei Vollast gerade zwischen 0 und Ue, während sie sich im Leerlauf auf einen DC-Wert von ca. Ue/2 einstellt. Bei Überlastung versucht die Spannung an Cr über die Grenzen der Versorgungsspannung hinaus zu schwingen, was aber von den Dioden D1 und D2 unterbunden wird.
Wie man im Prinzipschaltbild sieht, liegt die Spule Lr in Serie zum Trenntrafo. Somit kann man Lr auch als Streuinduktivität des Trenntrafos auffassen. Das bedeutet einerseits, dass Lr entfallen könnte, wenn der Trafo eine genügend hohe Streuinduktivität hätte und andererseits braucht man beim Bau des Trafos auch nicht auf eine geringe Streuinduktivität achten, was eine gute Isolation zwischen Primär- und Sekundärspule erleichtert. Leider gibt es (noch) keine fertigen Ferritkernsätze für Streutrafos, sodass die Trennung von Lr und dem Trafo weiterhin nötig sein dürfte. Eine andere Möglichkeit wäre es, auf den geschlossenen Trafokern ganz zu verzichten. Insbesondere bei hohen Schaltfrequenzen könnte man sogar einen Trafo aus Luftspulen bauen, der dann aus Prinzip bereits eine hohe Streuinduktivität hätte. Ab welcher Frequenz ein Luftspulentrafo wirtschaftlich wird, lässt sich allerdings nicht so leicht sagen.
Die Transistoren der Halbbrücke werden idealerweise so angesteuert, dass sie abwechselnd für die Dauer einer halben Periode der Resonanzfrequenz von Lr und Cr durchgeschaltet sind. Um den Resonanzwandler herunterzuregeln, muss nur die Frequenz heruntergeregelt werden, bzw. die Totzeit entsprechend verlängert werden. Im folgenden Diagramm habe ich einmal den Verlauf von Laststrom und der Spannung an Cr unter Vollast und bei ca. 50% Last dargestellt. Zwischen den Kurven sind die Gate-Steuerspannungen der Transistoren T1 und T2 eingezeichnet.

Bild 10 b Idealer Strom- und Spannungsverlauf eines ZCS-Resonanzwandler unter Volllast (links)  und ca. 50% Last (rechts)

Bei Volllast werden die Transistoren bis auf eine kleine Totzeit im Gegentakt mit der Resonanzfrequenz des Schwingkreises angesteuert. Dementsprechend stellt sich an Cr ein (fast) sinusförmiger Spannungsverlauf ein. Die primärseitige Lastspannung sollte dabei etwa Ue/2 sein. Da die Transistoren jeweils für die Dauer einer halben Periode der Resonanzfrequenz eingeschaltet werden, befindet sich der Strom im Resonanzkreis beim Ein- und Ausschalten des Transistors immer gerade im Nulldurchgang, was zu den gewollt geringen Schaltverlusten führt. Soll die Leistung des Resonanzwandlers heruntergefahren werden, wird einfach die Schaltfrequenz bei konstanter Einschaltdauer reduziert. Im Prinzip befindet sich der Schwingkreis dann noch immer in Resonanz, allerdings wird die Schwingung für die Dauer der Totzeit, in der beide Transistoren sperren, regelrecht eingefroren und dann nach dem Ende der Totzeit an gleicher Stelle fortgesetzt. Man sieht das am Spannungsverlauf an Cr (unten rechts): Die Sinuskurve wird im Scheitelwert für die Dauer der Totzeit eingefroren, wobei Cr die Ladung bis zum Ende der Totzeit speichert. Die Schaltfrequenz des Resonanzwandlers kann dann bei geringer Last bis auf 0 Hz heruntergefahren werden.
Prinzipiell wäre es auch möglich, den Wandler immer mit der Resonanzfrequenz zu betreiben und nur die Einschaltdauer zu variieren. Das Ganze wäre dann eine Art Gegentakt-Flusswandler mit passivem Überlastungsschutz. Man verzichtet dann aber auf den Vorteil der geringen Schaltverluste bei variabler Generatorfrequenz.
Ein weiterer Vorteil, den man auch nur bei variabler Generatorfrequenz optimal nutzen kann, ergibt sich aus der ZCS-Technik: Es treten in den Zuleitungen der Transistoren keine schnellen Stromänderungen auf. Das verringert nicht nur die EMV-Problematik, sondern macht auch das Leiterbahn-Design wesentlich unkritischer.
Leider ist es mit gängigen PWM-Schaltregler-ICs nicht möglich, eine absolut konstante Einschaltdauer zu erreichen. Da dies aber auch nicht unbedingt so genau erforderlich ist, reicht auch ein tendenzieller Gleichlauf von Schaltfrequenz und relativer Einschaltdauer. Dies lässt sich mit einem SG 3524 leicht realisieren. Der SG 3524 hat laut Datenblatt von den drei Standard-Gegentakt-ICs (SG 3524/25 TL494) die stabilste Oszillatorfrequenz und ist deshalb am besten für einen Resonanzwandler geeignet.

Bild 10 C 600-Watt-Resonanzwandler für hohen Last-Regelbereich

In Bild 10 C ist ein für ca. 600 Watt ausgelegter Wandler zu sehen. Da der SG 3524 keine kräftigen Ausgangstreiber hat und deshalb weder Transistoren noch Steuertrafos direkt ansteuern kann, bietet sich hier ein Gate-Treiber-IC an. Die Leistungsstufe und das Versorgungsmodul ist ansonsten identisch mit bereits beschriebenen.
Die Oszillatorfrequenz des SG 3524 hängt vom Kondensator C 10 ab und von dem Strom, der von Pin 7 (Rt) nach Masse fließt. Im ungeregelten Zustand ist die Spannung an R 16 und C 8 relativ gering. Der Oszillator arbeitet mit seiner maximalen Frequenz, die mit P 1 auf die Resonanzfrequenz eingestellt wird. Der Regelverstärker des 3524 ist als invertierender Verstärker geschaltet mit 2,5 Volt als virtuelle Masse. Im ungeregelten Fall liegt also am Ausgang des Regelverstärkers (Pin 9) die maximale Spannung an und der interne PWM-Komparator erzeugt eine maximale Einschaltdauer. Wenn die Regelung einsetzt, fließt ein Strom von der Referenzspannung des 3524 über den Optokoppler durch R 16. Wenn sich die Spannung an R 16 und C8 erhöht, verhält sich die Ausgangsspannung des Regelverstärkers Pin 9 genau gegenläufig und die relative Einschaltdauer reduziert sich entsprechend. Gleichzeitig reduziert sich auch der Strom, der aus Pin 6 (Rt) über R 15 und P 1 fließt, da nun die Differenzspannung, die an R 15 und P 1 anliegt, geringer wird. R 17 ist so gewählt, dass mit abnehmender Frequenz die Einschaltdauer zunächst absolut etwa konstant und schließlich immer kürzer wird, bis der Impuls ganz verschwindet. Damit ist eine energiesparende Lastausregelung bis herab auf 0 % möglich, ohne dass die Schaltfrequenz als störendes Pfeiffen hörbar wird. Der Wirkungsgrad wird durch die Verkürzung der Einschaltimpulse allerdings schlechter.
Die Resonanzfrequenz ist mit ca. 100 kHz relativ hoch gewählt. MOSFETs haben damit keine Probleme. Soll die Leistung des Wandlers jedoch deutlich erhöht werden, wird man versuchen schnelle IGBTs, am besten mit eingebauter FRED einzusetzen. Eventuell muss bei Verwendung leistungsstarker IGBTs die Frequenz reduziert werden. Dazu wird einfach C 10 vergrößert, wodurch sich gleichzeitig auch die minimale Totzeit erhöht (siehe Datenblatt). Ansonsten kann der Wandler unverändert für fast beliebige Leistungen dimensioniert werden. Lediglich die Leistungsbauteile müssen den auftretenden Spannungen und Strömen standhalten.

weiter