PWM-Controller-ICs für anpassbare Hilfsstromversorgungen

Neben der Hauptstromversorgung wird in Anwendungen wie Motorantrieben, Off-Board-Ladegeräten, USV und Stromversorgungseinheiten auch eine Hilfsstromversorgung benötigt. Diese liefert die 5 V/12 V/24 V für den Betrieb von Niederspannungskomponenten wie Mikrocontroller, Gate-Treiber, Lüfter etc. Üblicherweise wird dafür im Bereich von 20 W bis 200 W eine Flyback-IC-Lösung verwendet, abhängig von der Ausgangsleistung und den Kühlmethoden mit integriertem oder externem Leistungsschalter.

In der Regel streben Entwickler nach Flexibilität, um Hilfsstromversorgungen mit minimalem Redesign und wenigen externen Komponenten an unterschiedliche Leistungsklassen anpassen zu können. ROHM hat dafür die BD28Cxx-Serie von PWM-Stromreglern für Flyback-Anwendungen mit externem Schalter entwickelt, die speziell auf die Herausforderungen der Entwickler von Hilfsstromversorgungen zugeschnitten sind.

Der Eingang einer Hilfsstromversorgung ist typischerweise 230 VAC, 400 VAC oder 690 VAC im Falle von Anwendungen wie industriellen Antrieben oder 1500 VDC im Falle von PV-Systemen. Für solche Anwendungen kann je nach Eingangsspannung und Ausgangsleistung eine Vielzahl von Leistungshalbleitern in Flyback-Topologie verwendet werden, von Si-MOSFETs über IGBTs bis hin zu SiC-MOSFETs. Jeder dieser Leistungshalbleiter erfordert unterschiedliche Gate-Spannungen. Unter dem Gesichtspunkt der Gerätesicherheit muss der Betrieb des Bauelements unterhalb einer bestimmten Gate-Spannung vermieden werden, um ein thermisches Durchgehen zu verhindern. Der Gate-Treiber- oder Controller-IC muss mit einer geeigneten Unterspannungssperrfunktion ausgestattet sein, um den Betrieb des Leistungshalbleiters unterhalb der empfohlenen Gate-Spannung zu verhindern. Bild 1 zeigt die Vorwärtskennlinien, die Bereiche des thermischen Durchgehens und die UVLO-Anforderungen von drei verschiedenen Typen von Leistungsbauelementen.

Bei PWM-Controller-ICs gehören die meisten üblicherweise angebotenen Lösungen zu einer älteren Produktgeneration und haben entweder das Ende ihrer Lebensdauer erreicht oder sind nur für den Betrieb mit siliziumbasierten Leistungshalbleitern geeignet. Der Trend geht zunehmend zum Einsatz von SiC-MOSFETs in Hilfsstromversorgungsanwendungen für 400 VAC/690 VAC Applikationen. Entwickler bevorzugen Lösungen, die Pin-zu-Pin-kompatibel mit den auf dem Markt erhältlichen Standardprodukten sind. So wird die Langlebigkeit des Endprodukts gewährleistet und gleichzeitig können neue SiC-basierte Lösungen zuverlässig betrieben werden.

Die BD28Cxx-Serie umfasst PWM-Typen mit Stromregelung. Das Bild zeigt eine Übersicht über Gehäuse, Pinning und Blockdiagramm der Produktfamilie.

1. IC-/Produktvarianten mit unterschiedlichen UVLO-Pegeln zur Ansteuerung einer Vielzahl von Leistungshalbleitern,
2. die Produkte sind Pin-zu-Pin-kompatibel zu den auf dem Markt erhältlichen Standardprodukten,
3. enge Schwellenwerte, die die BOM-Kosten senken und die Sicherheit verbessern.

Wichtige elektrische Parameter wie UVLO-Schwellenwerte und Strommessgrenzen wurden mit einer hohen Genauigkeit von 5 Prozent entwickelt. Damit übertreffen sie die Produkte der Wettbewerber, deren Genauigkeit bei 10 Prozent liegt. Enge Current-Sense-Grenzwerte ermöglichen es den Entwicklern, kostengünstigere Lösungen für Shunt-Widerstände zu wählen und so die BOM-Kosten zu senken. Niedrige UVLO-Grenzwerte verbessern die Genauigkeit der Anlaufzeit und damit die Sicherheit des Gesamtsystems.

Zur Demonstration der Leistungsfähigkeit des ROHM-PWM-Controllers BD28C57HFJ wurde eine Evaluierungsplatine entwickelt. Als Flyback-Schalter wurde der 1700-V-SiC-MOSFET SCT2H12NZ von ROHM mit einem R_DS(on) von 1,15 Ω in einem TO-3PFM-Gehäuse verwendet. Im Vergleich zu einem Standard-1500-V-Silizium-MOSFET hat ROHMs SiC-MOSFET einen um 87 Prozent reduzierten R_DS(on) und hervorragende Schalteigenschaften.

Als Gleichrichterdiode kommt die RFUH25TB3 von ROHM zum Einsatz. Die Schaltfrequenz von 66 kHz wurde gewählt, um die Wandlerverluste zu optimieren. Darüber hinaus werden in der Industrie üblicherweise Schaltfrequenzen zwischen 60 kHz und 100 kHz für Hilfsstromversorgungsanwendungen verwendet.

Das Schaltverhalten des MOSFET, das Lastsprungverhalten, der Anlauf und der Wirkungsgrad wurden untersucht. Die untenstehende Abbildung zeigt das Schaltverhalten des MOSFET bei zwei verschiedenen Eingangsspannungen von 300 V und 900 V, einer Ausgangsspannung von 24 V und einem Ausgangsstrom von 2 A. Obwohl die Platine für einen Gleichstromeingang ausgelegt ist, kann sie auch mit dreiphasigem Wechselstrom betrieben werden. In diesem Fall muss der erforderliche Netzgleichrichter jedoch extern implementiert werden. Eine gut durchdachte Snubber-Schaltung und ein geeignetes PCB-Layout sorgen dafür, dass die Spitzenspannung des Schalters beim Abschalten 1090 Vmax beträgt und genügend Spielraum für den 1700-V-SiC-MOSFET bietet.

Das untenstehende Bild zeigt die Lastsprungantwort bei zwei verschiedenen Eingangsspannungen von 300 V und 900 V. Bei einem Lastsprung von 0 A auf 2 A beträgt der Ausgangsspannungsabfall ca. 600 mV (~2,5 Prozent) und bei einem Lastsprung von 2 A auf 0 A beträgt das Überschwingen der Ausgangsspannung ca. 360 mV (~1,5 Prozent), was auf das hervorragende Regelverhalten des PWM-Regler-IC hinweist.

Autoren: Vikneswaran Thayumanasamy und Thady Bruton, ROHM Semiconductor