So entwickeln Sie Schaltnetzteile für extreme Umgebungen

Strom­ver­sor­gung zu entwickeln, ist keine triviale Aufgabe. Anfor­de­rungen an Leistungs­dichte und Wirkungs­grad sind zu bewältigen, ins­beson­dere bei batte­rie­betrie­benen Geräten. Hoch­zuver­lässige Strom­ver­sor­gungen für den Outdoor-Bereich sowie für Luft-­/Raum­fahrt-Anwen­dungen erhöhen den Entwicklungsaufwand noch einmal deutlich, denn sie müssen unter extremen Umge­bungs­bedin­gungen funktionieren und beson­ders strenge EMV-Stan­dards erfüllen, teilweise auch anwendungsspezifische Sonderanforderungen.

Solche Systeme müssen mög­lichst leicht sein, was oft in Konflikt mit anderen Anfor­de­rungen steht. So kann beispiels­weise eine höhere Leistungs­dichte zu Problemen beim Tem­pe­ra­tur­manage­ment führen.

Bild 1: Netzspannungsbetriebene Strom­ver­sor­gungen bestehen im Prinzip aus sieben Funk­tions­blöcken, von denen jede mit Leistungsverlusten behaftet ist. On-Systems

Verluste identifizieren und minimieren

Für eine Größen- und Dichteoptimierung von Strom­ver­sor­gungssystemen sind Schaltungsbereiche und Bauteile zu identifizieren, an denen Leistungs­verluste auftreten. Der Fokus liegt dann darauf, Ineffizienzen zu minimieren oder zu elimi­nie­ren. Bild 1 zeigt die wichtigsten Funk­tions­blöcke einer typischen Strom­ver­sor­gung herkömm­licher Bauart. In jeder dieser sieben Schaltungsstufen treten Leistungs­verluste auf.

Der Entwickler hat keinen Einfluss darauf, an welcher Energiequelle das Gerät bei späterer Benutzung arbeiten wird. Durch universelle Dimensionierung der ersten Stufe (Störfilter, Bild 1) entstehen hier Verluste durch den ohmschen Wider­stand der Induk­tivi­täten; sie sind pro­porti­onal zu I²⋅R und lassen sich nur durch einen größeren Drahtquerschnitt verringern. Eine Halbierung der Spannungen in dieser Stufe bedingt – bei gegebener Leis­tung – zwangs­läufig eine Verdoppelung der Stromstärke und somit eine Vervierfachung des Leistungs­verlustes. Deshalb sollte die Versorgungs­span­nung mög­lichst hoch sein.

Auch der Brückengleich­richter in der zweiten Stufe der Strom­ver­sor­gung verur­sacht Leistungs­verluste aufgrund des Spannungs­abfalls über jeder der vier Dioden. Ein Vollwellengleichrichter hat den zusätzlichen Nachteil, dass zwei Dioden in Reihe geschaltet sein müssen, um beide Halbwellen gleichzurichten. Die damit verbun­denen Verluste lassen sich durch Ver­wen­dung von Hoch­leistungsdioden wie beispielsweise Wide-Bandgap-Typen (weite Bandlücke) aus Siliziumkarbid (SiC) redu­zieren.

Ineffizienz durch Spannungsabfälle und Schaltvorgänge

Die dritten Stufe, die Leistungs­faktorkorrektur­ (PFC, Power Factor Correction), setzt die Eingangs­spannung auf einen höheren Wert im Zwischenkreis, üblicher­weise 360 bis 400 V_DC. Inner­halb der PFC-Schal­tung treten in mehreren Bereichen Leistungs­verluste auf: resistive Verluste in der Speicherinduk­tivi­tät; resistive und Schaltverluste durch den R_DS(on) des Q-FET-Schalters sowie Schalt- und Durchlassspannungsverluste in der Gleich­richterdiode. Eine Erhöhung der Arbeits­span­nung reduziert die Verluste in dieser Stufe, die im Wesent­lichen pro­porti­onal zu I²⋅R sind.

Stufe vier ist die Treiber­schal­tung für den Haupt­transformator, der die galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang bewirkt. Die Verluste in dieser Stufe setzen sich zusammen aus Schaltverlusten in den FETs sowie resistiven und Schaltverlusten durch den R_DS(on) der FETs. In der fünften Stufe (Transformator) entstehen Verluste in den Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators. In Stufe sechs (Gleich­richter) gibt es zwei Arten von Schaltverlusten: den Durch­lass­spannungsverlust und die Schaltverluste der Gleich­richter. Die Verluste in der letzten Stufe (Glättung und Filterung) sind bei geschickter Dimensionierung der Strom­ver­sor­gung gut zu verringern.

Leistungsverluste überschlägig berechnen

Bei den meisten einfachen Spannungswandler­topo­logien sind Halb­leiter­verluste die dominierenden Faktoren, die den Wirkungs­grad verringern. Hier sind es Durchlass- und Schalt­verluste, die einen Teil der Energie in Wärme umwandeln. Wenn ein Strom durch einen MOSFET fließt, der sich im On-Zustand befindet, ist dessen Durchlassverlust näherungsweise gleich dem Produkt aus R_DS(on), dem Tast­verhält­nis und dem Quadrat der Stromstärke im On-Zustand (Gleichung 1):

Während der Durchlassverlust eines MOSFETs pro­porti­onal zur Verlustleistung über dem rela­tiv kleinen R_DS(on) ist, ist er bei einer Diode pro­porti­onal zu ihrer rela­tiv hohen Durch­lass­spannung (V_F). Allerdings ist auch das Tastverhältnis zu berücksichtigen. Da Diode und MOSFET abwechselnd schalten, berech­net sich der Diodendurchlassverlust näherungsweise nach Gleichung 2:

Bei einem Abwärts­wandler lässt sich P_{Durchlass_Diode} näherungsweise nach Gleichung 3 berechnen:

Aus diesen Gleichungen geht hervor, dass Größe der Durchlassverluste von der Einschaltdauer der Halbleiter abhängt. Bei einem Abwärts­wandler ist der Anteil der Dioden-Durchlassverluste am Gesamt­verlust umso größer, je niedriger (bei gegebener Eingangs­spannung) die Ausgangs­spannung einge­stellt ist, weil dann die Diode während eines längeren Abschnitts des Schaltintervalls leitet.

Bild 2: Schematische Zeitverläufe der Drain-Source-Span­nung und des Drain-Source-Stroms bei MOSFET-Schaltvorgängen. On-Systems

Parasitäre Kapa­zi­täten

Zum Gesamt­energieverlust der Stromversorgung tragen die Schalt­verluste von MOSFETs und Dioden den größten Anteil bei. Abhängig von der Schalt­charak­teristik des jewei­ligen Bau­teils erzeugen die Übergänge vom sperrenden in den leitenden Zustand und umgekehrt Wärmeverluste.

Die Schalt­verluste eines MOSFETs gehen aus dem zeitlichen Verlauf der Drain-Source-Span­nung (V_DS) und des Drain-Source-Stroms (I_DS) hervor. Die obere Kurve in Bild 2 zeigt, dass Änderungen beider Größen mit gewissen Anstiegzeiten (t_SW(on) und t_SW(off)) einhergehen. Das liegt an den Lade- und Entladevorgängen der parasitären Kapa­zi­täten im Leistungshalbleiter.

Wie aus Bild 2 ersicht­lich ist, fließt beim Einschalten bereits der volle Laststrom (I_D) durch den MOSFET, noch bevor V_DS auf ihren end­gül­tigen On-Wert (= I_D × R_DS(on)) absinkt. Umge­kehrt steigt V_DS beim Ausschalten auf ihren end­gül­tigen Off-Wert an, noch bevor der Laststrom auf Null abfällt. Die resultierende Verlust­leistung ist im unteren blauen Signalverlauf dargestellt.

Hohe Frequenz, hohe Verluste

Die Schaltzeiten eines MOSFETs sind konstant und weit­gehend unab­hängig von der Schalt­frequenz. Das bedeutet, dass bei einer Erhöhung der Schalt­frequenz die Schaltverluste zunehmen. Bei höherer Schalt­frequenz (also einer kürzeren Übergangs­peri­ode) machen die konstanten Übergangszeiten einen größeren Teil einer Schaltperiode aus. Wenn die Schaltzeit beispiels­weise nur 1/20 des Tast­verhält­nisses beträgt, ist ihr Einfluss auf den Wirkungs­grad wesent­lich geringer, als wenn sie 1/10 des Tast­verhält­nisses beträgt.

Wegen dieser Frequenzabhängigkeit dominieren die Schalt­verluste bei hohen Schalt­frequenzen gegenüber den Durchlassverlusten. Die Schaltverluste (P_{SW_MOSFET}) eines MOSFET pro Schaltperiode ent­sprechen dem Flächeninhalt der beiden dreieckigen blauen Flächen in Bild 2 und lassen sich näherungsweise über Gleichung 4 bestimmen:

Verbesserung der Effizienz

Beim Gleichrichten von Wechselströmen können alter­na­tiv zu Dioden aktive Schalterelemente mit einem vergleichsweise geringen R_DS(on) den Durch­lass­spannungsabfall merklich verringern. Auch hier kann der Einsatz von Wide-Bandgap-Transistoren von Vorteil sein. Bei der aktiven Leistungs­faktorkorrektur (APFC) machen die hohen Schalt­verluste der Diode den größten Anteil an den Gesamt­verlusten aus. Die einfachste Lösung ist auch hier, auf Wide-Bandgap-Alter­na­tiven auszuweichen.

Ein probates Mittel zur Stei­ge­rung des System­wirkungs­grades einphasiger Systeme ist eine kombi­nierte Lösung, bestehend aus Gleichrichtung und brückenloser Leistungs­faktorkorrektur. Im Bereich der Leis­tungsmagnetik sind durch Resonanzwandler- und Planar­transformator-Topo­logien signi­fi­kante Verbes­se­rungen erzielbar.

Die Migration zu Wide-Bandgap-Bau­teilen ermög­licht höhere Schalt­frequenzen, ohne eine signi­fi­kante Zunahme der Schalt­verluste in Kauf nehmen zu müssen. Galliumnitrid-Halb­leiter (GaN) weisen im Ver­gleich zu Silizium-FETs sehr geringe Schalt­verluste auf und ermög­lichen einen Betrieb mit höheren Schalt­frequenzen wie auch die Ver­wen­dung kleinerer induktiver Bau­teile. Eine Verringerung des Bauvolumens von Induk­tivi­täten und Transformatoren erhöht nicht nur die Leistungs­dichte einer Schaltung, sondern reduziert auch die ohmschen Verluste der kleineren Induk­tivi­täten.

Vorteile durch einstufige Topologie

Durch den Übergang von einer mehrstufigen zu einer einstufigen Topo­logie entfallen die Blöcke 4 und 5 aus Bild 1 und die damit einhergehenden Verluste. Bei einer solchen Topo­logie enthält die Leistungs­faktorkorrektur­schal­tung einen Transformator anstelle einer Speicherinduk­tivi­tät, wodurch ein galva­nisch getrennter Sekundärkreis entsteht. Für den Entwurf von Schaltnetzteilen empfiehlt sich eine einstufige Leistungs­faktorkorrektur­schal­tung. Begonnen mit Silizium-Halbleitern für normale Schalt­frequenzen, können Entwickler später auf Wide-Bandgap-Bau­teile und eine höhere Schalt­frequenz umsteigen.

Kürz­lich hat On-Systems eine PSU-Plattform (Power Supply Unit) vorgestellt, die in Kombi­na­tion aus neuer Topo­logie, kunden­spezi­fischen FET-Treibern und hoher Schaltgeschwindigkeit eine Reihe bemerkenswerter Vorteile bietet. Die robusten, extrem emissionsarmen Strom­ver­sor­gungen (Bild 3) basie­ren auf neuesten Materialien und bieten im Ver­gleich zu herkömm­lichen Strom­ver­sor­gungen die gleiche oder eine höhere Leistung bei weniger als einem Viertel des Bauvolumens, einem Drittel des Gewichts und weniger als der Hälfte der Kosten. Das erste Produkt Pebble ist eine Laptop-PSU mit einer Größe von nur 115 × 52 × 36 mm³ und einem Gewicht von nur 180 g, die alle ein­schlä­gigen MIL-STD- und DEF-STD-Vorschriften erfüllt – und das zu 20 Prozent der Kosten bisheriger Lösungen. Im Ver­gleich dazu sind herkömm­liche emissionsarme Strom­ver­sor­gungen für Anwen­dungen in sicheren Umge­bungen mit rauen Einsatz­bedin­gungen etwa so groß wie der Laptop, den sie versorgen, und wiegen um die zwei bis drei Kilo.

Die robuste, sehr stör­strahlungs­arme Laptop-Strom­ver­sor­gung COTS-Pebble bietet durch eine Kombi­na­tion aus pro­pri­e­tären FET-Treibern und hoher Schaltgeschwindigkeit signi­fi­kante Vorteile. Die Zusammenfassung dreier Schaltungsstufen zu einer einzigen redu­ziert den Designumfang und steigert den Wirkungs­grad. Zudem ermög­lichen die hoch­entwickelten, extrem schnellen FET-Treiber bis zu vierzigfach höhere Schaltgeschwindigkeiten als üblich, was den Einsatz ent­sprechend kleinerer EMV-Filter­bau­teile erlaubt.

Die neue Laptop-PSU erfüllt alle ein­schlä­gigen EMV-Stan­dards, darunter MIL-STD 1275A-E, MIL-STD 704A-F, DEF-STAN 59-411 und MIL-STD 461 E-F EMC. Das Schaltnetzteil hat einen Wirkungs­grad von 96 Prozent und ist in Versionen mit Wechsel­spannungs-Universal­eingang und mit Weitbereichs-Gleichspannungs­eingang erhält­lich; sie ist kurz­schlussfest und gegen Über­lastung wie auch Über­span­nung geschützt.

Ausblick in die Zukunft

Die Weiterentwicklung der Kerntechnologien und -materialien bringt eine wachsende Anzahl neuartiger Energie­wandler-Techniken hervor, die es ermög­lichen, Heraus­for­de­rungen in Bezug auf Leistungsdichte, Energie­effizienz und Perfor­mance in Luft-/Raum­fahrt/Freifeld-Anwen­dungen zu meistern. Neuesten Wide-Bandgap-Bau­teile und die Topo­logien schaffen die Voraussetzungen dafür und versprechen höhere Betriebs­effi­zienzen, höhere Wirkungs­grade wie auch verbes­serte Perfor­mance.

(jwa)