Schaltnetzteile für LED-Beleuchtungsanwendungen enthalten immer häufiger eine aktive Leistungsfaktorkorrektur (PFC) in der Eingangsstufe, um die internationalen Vorschriften für Oberwellen erfüllen zu können. Die Boost-Topologie im DCM-Modus (Discontinuous Current Mode) ist die für Wandler unter 300 W Nennleistung am besten geeignete PFC-Methode. In dieser Topologie liegt der Einschalt-Leistungsverlust der Boost-Schalter vernachlässigbar gering und der größte Teil der Leistungsverluste entfällt auf die Ausschalt- und Leitungsverluste. Seit der Vorstellung der Superjunction-Bauteile werden diese oft als optimierter Schalter für eine aktive PFC verwendet, da sie einen äußerst niedrigen Durchlasswiderstand und einen nichtlinearen Kapazitätswert aufweisen.

Für Downstream-Wandler haben sich LLC-Resonanzwandler bewährt, da sie einen hohen Wirkungsgrad erreichen. Die LLC-Resonanzwandler erlauben ein Schalten im Spannungsnulldurchgang, so dass die Leitungsverluste die Leistungsverluste dominieren und es somit bei den Leistungsschaltern hauptsächlich auf einen geringen Durchlasswiderstand ankommt. Dank der Fortschritte bei den Bauteiltechnologien ist der Planar-Mosfet mittlerweile den Superjunction-Bauteilen, sowohl bei PFC- als auch LLC-Stufen, im niedrigen und mittleren Leistungsbereich ebenbürtig. Preislich ist der Planar-Mosfet bis 200 W attraktiver.

Leistungsverluste in Schaltnetzteilen

Beim Entwickeln eines Umrichters ist die Einschätzung der Leistungsverluste entscheidend für die Auswahl der Leistungsbauteile. Den größten Teil der Leistungsverluste von Leistungsbauteilen in PFC-Vorreglern und LLC-Resonanzwandlern stellen die Leitungs- und Schaltverluste dar. Im Allgemeinen dominieren die Schaltverluste bei kleiner Last und die Leitungsverluste bei höheren Lasten. Der Gate-Ladungsparameter Qg dient allgemein zur Beurteilung der Schaltgeschwindigkeit und damit für das Berechnen der Schaltverluste.

Tabelle 1: Abschätzung der Energie-Verluste und Schaltfrequenz in der DCM-PFC-Technologie.

Tabelle 1: Abschätzung der Energie-Verluste und Schaltfrequenz in der DCM-PFC-Technologie.Fairchild

Der Superjunction-Mosfet bietet wegen der kleineren Chip-Größe und dem extrem niedrigen spezifischen Durchlasswiderstand einen niedrigeren Qg-Wert als konventionelle Planar-Mosfets. So ist beispielsweise der Qg-Wert eines 0,95-Ω/600-V-Superjunction-Mosfet deutlich kleiner als bei einem 1,6-Ω/600-V-Planar-Mosfet (Tabelle 1). Damit ist zu erwarten, dass der Superjunction-Mosfet niedrigere Schaltverluste und Leitungsverluste in PFC- oder LLC-Wandler aufweist. Dies ist der Hauptgrund, warum die Superjunction-Technologie als Leistungsschalter in Schaltnetzteilen bevorzugt wird. Planar-Mosfets haben allerdings aufgrund der Fortschritte in der Bauteiletechnologie inzwischen auch einen sehr niedrigen Qg-Wert. Ihr Durchlasswiderstand ist zwar noch höher als bei Superjunction, sollte aber im Bereich kleiner Last inzwischen konkurrenzfähig sein. Da die Planar-Technologie einen Preisvorteil von ungefähr 30 Prozent bietet, lohnt sich die Untersuchung beim Einsatz in Stromversorgungen für LED-Beleuchtungen. Außerdem sollte der Entwickler überprüfen, bis zu welcher Leistung sich die Verwendung dieser Komponenten in PFC- und LLC-Wandlern lohnt.

Ergebnisse der Evaluierung

Bild 1: Abschätzung der Energie-Verluste und Schaltfrequenz in DCM-PFC.

Bild 1: Abschätzung der Energie-Verluste und Schaltfrequenz in DCM-PFC.Fairchild

Tabelle 1 zeigt drei Bauteile in DCM-PFC- und LLC-Resonanzwandlern zusammen mit den Schaltverluste, gemessen mit einem Oszilloskop. Da der Schaltstrom in einem DCM-PFC in den einzelnen Schaltperioden variiert, wird der Schaltverlust bei der maximalen Eingangsspannung des AC-Eingangs gemessen und der Gesamt-Schaltverlust unter der Annahme sinusförmiger Verluste berechnet (Bild 1). Der mittlere Schaltverlust bestimmt sich über das Produkt der Arbeitsfrequenz und des Energieverlusts pro Schaltperiode. Bei einem DCM-PFC ist die Einschaltzeit normalerweise fest und die Ausschaltzeit von der Netzeingangsspannung abhängig.

Bild 2: Der Schaltstrom und der RMS-Pegel bei einem LLC-Resonanz-Wandler.

Bild 2: Der Schaltstrom und der RMS-Pegel bei einem LLC-Resonanz-Wandler.Fairchild

Aus den verschiedenen Designvariablen lassen sich die Ein-/Ausschaltzeiten und die sich daraus ergebenden Schaltfrequenz der einzelnen Schaltperioden ableiten. Die jeweiligen Leitungsverluste sind einfach zu untersuchen, wenn der Effektivstrom des Leistungsschalters erst einmal bekannt ist. Bei einem PFC-Wandler ist der Schaltstrom sinusförmig, so dass der Entwickler den  Effektivwert des Stroms einfach berechnen kann. Bei einem LLC-Resonanzwandler können der Resonanz- und der Magnetisierungsstrom als sinusförmig beziehungsweise dreieckig angenommen werden. Den Effektivstrom kann man berechnen indem man den Spitzenstrom berechnet. (Bild 2).

Tabelle 2: Vergleich der Leistungsverluste

Tabelle 2: Vergleich der LeistungsverlusteFairchild

Tabelle 2 zeigt eine Übersicht der auftretenden Leistungsverluste. Diese bestätigt, dass die Schaltverluste bei kleiner Last (50 W) sowohl in den PFCs als auch in den LLCs dominieren. Bei hoher Last (200 W) überwiegt, wie erwartet, der Leitungsverlust. Die Planar-Bauteile sind bei kleiner Last allerdings leistungsfähiger als die Superjunction-Bauteile. Dadurch sind die Leistungsverluste sowohl bei dem DCM-PFC- als auch beim LLC-Resonanzwandler geringer. Bei einer Last von 200 W liegen die Verluste eines LLCs etwas geringer als die eines DCM-PFCs. Der Gesamtverlust ist bei einer Last von 200 W geringfügig um 0,4 W höher.

Wer darf an die LEDs ran?

Die Leistungsfähigkeit des planaren Unifet II untersuchte der Autor sowohl in DCM-PFC-, als auch in LLC-Resonanzwandlern. Der Unifet II zeigte gegenüber den Superjunction-Bauteilen bis zu einer Last von 200 W gute Ergebnisse. Unter Berücksichtigung des Preisvorteils und der Leistung gilt die Unifet-II-Technologie laut Fairchild als erste Wahl beim Entwickeln einer Schaltstromversorgung mit mittlerer Leistung für LED-Beleuchtungsanwendungen.