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H. Ertl:
"Schaltverstärker mit hoher Ausgangsspannungsqualität";
Technische Universität Wien / Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, 2004.

Elektronisch steuerbare Leistungsquellen (meist Verstärker genannt, Leistungsbereich typ. 1kVA... >100kVA) finden breite Anwendung auf dem Gebiet der Industriellen Elektronik, der Meß- und Prüftechnik, für wissenschaftliche Untersuchungen etc. sowie zunehmend auch unterstützend im Bereich der elektrischen Energieversorgung (z. B. zur Verbesserung des EMV-Verhaltens von Stromrichtern bzw. generell der Power Quality). Verstärker im Linearbetrieb wären zwar durch eine sehr hohe Qualität der erzeugten Ausgangsspannung gekennzeichnet, ihre hohen Verluste verbieten jedoch einen Einsatz für viele Anwendungen bzw. machen diesen extrem unwirtschaftlich. Linearverstärker werden deshalb zunehmend von Schaltungen verdrängt, die auf leistungselektronischen Prinzipien basieren. Durch den hier stets gegebenen geschalteten Betrieb der Leistungshalbleiter können sehr gute Wirkungsgradwerte kostengünstig erreicht werden. Allerdings müssen die prinzipbedingt auftretenden schaltfrequenten Oberschwingungen durch ein entsprechendes Reaktanzfilter am Verstärkerausgang unterdrückt werden, währenddessen das Nutzsignal das Filter möglichst unbeeinträchtigt passieren soll. Wegen des dabei zu treffenden Kompromisses und weil das Filter auch die Ausgangsimpedanz des Systems negativ beeinflußt, erreichen Schaltverstärker im allgemeinen nicht die Spannungsqualität von guten Linearverstärkern.
Ziel war deshalb die Entwicklung bzw. Untersuchung von neuartigen Konzepten zur Verbesserung der Ausgangsspannungsqualität bei Schaltverstärkern. Der erste Teil der vorliegenden Arbeit gibt dazu eine detaillierte Übersicht über die grundlegenden Probleme geschalteter Leistungsverstärker und die verschiedenen Möglichkeiten ihrer Verbesserung. Im zweiten Teil sind die dafür als Grundlage dienenden themenspezifischen Publikationen des Autors zusammengestellt. Teil I gibt zunächst eine kurze Beschreibung charakteristischer Einsatzgebiete elektronisch steuerbarer Leistungsquellen sowie eine Übersicht über die wesentlichen Vor- und Nachteile linearer und geschalteter Verstärker.
Ein erster Ansatz zur Verbesserung von Schaltverstärkern basiert auf der Steigerung ihrer Arbeitsfrequenz durch Übergang auf Schaltungsstrukturen, die den Einsatz expliziter Freilaufdioden ermöglichen. Das hier vorgeschlagene Konzept ist besonders auch in Verbindung mit modernen hochsperrenden MOSFETs und den seit kurzem verfügbaren Schottky-Dioden für höhere Spannungen auf Silizium-Karbid-Basis von Interesse. Alternativ dazu kann die effektive Arbeitsfrequenz eines Schaltverstärkers aber auch durch phasenversetzte Taktung mehrerer parallel oder seriell angeordneter Zweige vervielfacht werden. Besonders attraktiv ist hier die Serienschaltung von Vollbrücken-Schaltzellen (Multizellen-Topologie) durch den dann möglichen Einsatz von kostengünstigen Niederspannungs-Hochstrom-MOSFETs und kleinen Filterinduktivitäten. Zudem kann bei diesem Konzept die Zwischenkreisspannung der Schaltzellen einfach durch lokale Energiespeicher (z. B. Hochstrom-Akkus oder Doppelschicht-Kondensatoren) gestützt werden, wodurch ein Verstärkersystem mit sehr hoher Pulsleistungsfähigkeit entsteht.
Zur weiteren Verbesserung der Spannungsqualität werden Kombinationen von Linear- und Schaltverstärkersystemen beschrieben. Sehr gute Eigenschaften zeigen dabei Hybridverstärker, bei denen die Ausgangsspannung mit hoher Qualität von einem Linearverstärker vorgegeben ist, der Großteil des Ausgangsstromes aber über einen verlustarmen Schaltverstärkerteil fließt (Stromentlasteter Linearverstärker). Die Anbindung des Linearverstärkers kann dabei direkt erfolgen, noch effizienter aber über eine kapazitive Kopplung (zusätzliche Reduktion der Verluste). Als weiteres Kombinationssystem wird ein Linearverstärker beschrieben, dessen Versorgungsspannung proportional zur Ausgangsspannung mitgeführt wird. Die Spannung an den jeweils stromführenden Endtransistoren wird dabei signifikant reduziert, woraus eine adäquate Verlustminderung resultiert (Spannungsentlasteter Linearverstärker). Die Speisung des Linearverstärkers kann dabei über einen Schaltverstärkerzweig (4Q-Betrieb), unter gewissen Einschränkungen aber auch mittels (1Q-) DC/DC-Wandler erfolgen. Abschließend werden die anwendungsspezifischen Eigenschaften der propagierten und durch Simulation bzw. praktische Realisierung verifizierten Schaltungskonzepte in tabellarischer Form verglichen.

Controllable electronic power sources (usually called amplifiers, power region of typically 1kVA...>100kVA) are widely used in the area of Industrial Electronics, for measuring and testing purposes, for scientific research etc. as well as with increasing significance in the area of energy distribution/supply (e.g., for improving the electromagnetic compatibility (EMC) of power electronic converters and, in general, for increasing the power quality of the mains). Conventional linear power amplifiers are characterized by a high-quality output voltage, however, the huge losses limit the economical application of this concept for many purposes. Consequently, linear power amplifiers are more and more replaced by amplifier units based on power electronic circuit topologies. These converters show very high efficiency rates due to the on-off (switching) operation of the semiconductor devices. However, the inherent switching frequency harmonics of such switch-mode power amplifiers have to be suppressed by a reactance (LC-) filter at the signal output, whereas the amplified fundamental signal should pass the filter as unaffected as possible. Due to the trade-off which has to be accepted here and also because the filter worsens the output impedance, switch-mode amplifiers in general do not show the high output voltage quality of their linear-mode counterparts.
The scope of the presented thesis, therefore, is the development and the analysis of circuit concepts to improve the output voltage behavior of switch-mode power amplifiers. In the first part a detailed explanation and discussion of different methods as well as a comparison of the corresponding properties is given. The second part presents a compilation of specific publications of the author in the area of switch-mode power amplifiers forming the basis of the discussions given in Part I.
Part I starts with a brief description of characteristic application areas of controllable electronic power sources and includes also a summary concerning the advantages and drawbacks of linear and switch-mode power amplifiers. A first approach to improve the switch-mode amplifier concept is to modify the basic circuit topology (i.e., the bridge leg) such that explicit free-wheeling diodes can be utilized. The proposed principle is of especial advantage if latest-generation power MOSFETs (compensation-type devices) and high-voltage silicon-carbide (SiC-) Schottky diodes are used. Alternatively, the (effective) switching frequency of an amplifier also can be raised considerably by application of parallel or series-connected arrangements of converter branches. Of particular interest is the series connection of several full-bridge switching cells (multi cell arrangement) because with this topology low-cost low-voltage high-current MOSFETs and small output filter inductances are applicable. Furthermore, this concept also allows a simple buffering of the DC link voltages by local energy storing devices (e.g., rechargeable high-current batteries and/or double-layer "super" capacitors). With this, an amplifier system with very high peak current/power capability (e.g., for peak power testing applications) can be realized very economically.
For the further improvement of the output voltage quality combinations of linear and switch-mode power amplifiers are proposed. Such composite amplifiers where a linear-mode (master) stage defines the output voltage and a switch-mode (slave) circuit takes on the load current in order to reduce the losses of the linear amplifier shows excellent behavior. The coupling of the linear to the switch-mode part can be performed in a direct way (direct parallel arrangement) or using a coupling capacitor, which gives a further loss reduction possibility. Furthermore, a composite system is described which is formed by a conventional linear power amplifier whose supply voltages are varied according to the output voltage using a switch-mode amplifier part or controllable switch-mode power supplies. Consequently, the power transistors of the linear amplifier carry the whole output current, however, the voltage across the transistors now is considerably lowered (reduced losses). Finally, a comparison of the application specific properties of the proposed circuit concepts (which are verified by simulations and laboratory prototype systems) is given in a tabular listing.