1700-V-SiC-MOSFETs machen es heute möglich, integrierte Flyback-Controller für sehr hohe Spannungen zu entwickeln – zwei Komponenten im Vergleich. (Bild: AdobeStock 365216142, James)
Der Sperrwandler kann für sich beanspruchen, die verbreitetste Topologie für die AC/DC-Wandlung in Systemen zur Versorgung von Lasten bis rund 100 W zu sein. Er eignet sich besonders für Anwendungen, in denen eine Netztrennung erforderlich ist oder das Verhältnis von der Eingangs- zur Ausgangsspannung hoch ist.
Sperrwandler werden am häufigsten mit einem Eingangsspannungsbereich von rund 85 V bis 265 V AC in Systemen für Netzbetrieb eingesetzt. Sie eignen sich aber auch für industrielle Anwendungen, in denen die Eingangsspannung von 40 V bis 440 V AC reichen kann. Der Sperrwandler kann auch zur Gleichspannungswandlung in einem großen Bereich von Ein- und Ausgangsspannungen verwendet werden. In einigen Anwendungen in der Industrie und im Automobilbau kann die Gleichspannung am Eingang bis zu 1000 V betragen. Natürlich hat die Eingangsspannung in der Anwendung ihren Einfluss auf die Spezifikation der Durchschlagspannung der im Wandler eingesetzten Leistungsschalter.
In der Vergangenheit hat das die Möglichkeiten der Entwickler von Leistungssystemen eingeschränkt, die Vorteile eines Sperrwandlers mit integriertem Controller, der sich leichter in das Board-Layout einbauen lässt, weniger Platz benötigt und aus weniger Bauteilen als vergleichbare diskrete Schaltung besteht, in vollem Umfang zu nutzen. Bei niedrigeren Spannungen war der integrierte Flyback-Controller die bevorzugte Option, doch lag die höchste Nenn-Durchschlagspannung bei den in integrierten Controllern eingebetteten Silizium-MOSFETs im Bereich von 800 V bis 1000 V, was für viele Anwendungen mit sehr hohen Spannungen nicht ausreicht. Mittlerweile erlaubt es die Weiterentwicklung der MOSFETs aus SiC, die Spannungsfestigkeit der integrierten Flyback-Controller auf bis zu 1700 V zu erhöhen. Der Artikel soll dem Entwickler helfen, die integrierten Flyback-Controller mit SiC-MOSFET der Hersteller Power Integrations und Rohm zu bewerten.
Nachteile des diskreten Aufbaus bei Sperrwandlern für hohe Spannungen
In einem integrierten Flyback-Controller befinden sich die Steuerschaltung, der Gate-Treiber und der Leistungsschalter in einem gemeinsamen Bauteil. Das erleichtert die Auswahl der Komponenten und vereinfacht das Layout der Leiterplatte. Der geringere Platzbedarf im Vergleich zu einem diskreten System ist besonders hilfreich bei Entwicklungen, in denen der Platz beschränkt ist.
In Systemen, bei denen der Leistungsschalter eine Nennspannung über 1000 V haben muss, waren die Entwickler gezwungen, wegen der begrenzten Durchschlagspannung von integrierten Flyback-Controllern andere Lösungen zu finden. Eine Option besteht darin, die Vorteile der Integration aufzugeben und einen Standalone-Flyback-Controller mit diskreten Silizium-MOSFETs für hohe Spannungen einzusetzen.
Die andere Möglichkeit ist, einen integrierten Flyback-Controller mit einer Nennspannung im Bereich von 800 V bis 1000 V zu verwenden und dem internen MOSFET einen weiteren externen MOSFET in einer Kaskodenschaltung zur Seite zu stellen. Das Problem bei der ersten Lösung ist die maximale Durchschlagspannung eines herkömmlichen Silizium-MOSFET. Ihr Einsatz ist auf Systeme beschränkt, deren Spannung mit Sicherheit unter 1200 V bleibt.
Der zweite Ansatz unterliegt dieser Einschränkung nicht, da sich die Spannungsfestigkeit des internen und des externen Schalters addiert – dies jedoch um den Preis einer komplexeren Konstruktion. Bild 1 zeigt ein typisches Schaltbild einer Kaskoden-Konfiguration mit MOSFETs. Sie baut auf einem 60-W-StackFET-Sperrwandler-Netzteil mit Netztrennung auf, bei dem ein Power-Integrations-InnoSwitch-3-EP-Sperrwandler (Teilenummer INN3679C-H606) mit einem MinE-CAP-MIN1072M-Bulk-Kondensator-Miniaturisierungs- und Einschaltmanagement-IC verwendet wird.
Beim Einsatz der Kaskodenschaltung muss der Entwickler für die korrekte Funktion des Wandlers beim Layout des Boards und der Auswahl der Bauteile besonders sorgfältig vorgehen. Hinzu kommt, dass bei herkömmlichen Silizium-MOSFETs in Anwendungen mit derart hohen Spannungen die Schaltverluste höher sind als in einer Schaltung mit einem einzelnen SiC-MOSFET. Das liegt zum Teil am höheren Wirkungsgrad des SiC MOSFET. Außerdem sind die Verluste der Kaskodenschaltung höher, da die beiden in Reihe geschalteten MOSFETs während der Einschaltzeit gleichzeitig leiten.
Integrierte Optionen für Sperrwandler mit sehr hohen Spannungen
Damit haben beide Optionen für die Entwicklung von Sperrwandlern mit einer Spannungsfestigkeit der Leistungsschalter von über 1200 V ihre Nachteile. Dank der Verfügbarkeit von integrierten Flyback-Controllern mit SiC-MOSFET und einer Nenn-Durchschlagspannung von 1700 V lassen sich diese Nachteile nun vermeiden.
Die Bauteile von Power Integrations und Rohm sind integrierte Lösungen für Anwendungen mit sehr hohen Gleich- oder Wechselspannungen am Eingang, die keine externen Leistungsschalter mehr benötigen. Außerdem bieten Sie den Entwicklern von Leistungssystemen einen sehr viel niedrigeren Durchlasswiderstand der SiC-MOSFETs im Vergleich zu Silizium. Das erhöht den Wirkungsgrad des Wandlers, erzeugt weniger Verlustwärme und erlaubt eine höhere Leistungsdichte.
Power Integrations Flyback-Controller mit SiC-MOSFET sind in zwei Serien verfügbar:
- Die Serie InnoSwitch3-EP: der INN3647C mit einer maximalen Ausgangsleistung von 50 W und der INN3649C mit 70 W
- Die Serie InnoSwitch3-AQ: Automotive-qualifizierter Controller mit dem INN3947CQ für 50 W Nennleistung und dem INN3949CQ für 70 W
Rohm liefert den SiC-Flyback-Controller als Industriebauteil in zwei Versionen, wobei der Unterschied hier in der Bauform besteht: der BM2SC12xFP2-LBZ ist ein SMD-Bauteil mit einem höheren Kriechabstand und der BM2SCQ12xT-LBZ ist eine Bauform für die Durchsteckmontage. Bild 2 zeigt eine typische Anwendungsschaltung für den Controller von Power Integrations.
Bild 2 zeigt deutlich die Vorteile der Integration auf. Diese Schaltung enthält nur wenige externe Bauteile. So gibt es insbesondere auf der Primärseite keinen externen Stromerfassungswiderstand. Stattdessen können zwei Grenzwerte für den Strom gesetzt werden, indem der Wert des Kondensators am Anschluss BPP geändert wird. Damit sind zwei Grenzwerte auswählbar.
Auf der Sekundärseite kann anstelle des Synchron-Gleichrichter-MOSFETs (SR) eine normale Diode Verwendung finden. Der SR-Anschluss muss an Masse gelegt werden, um die Synchrongleichrichterfunktion zu deaktivieren. Der quasi-resonante Betrieb wird über den Anschluss FWD auf der Sekundärseite gesteuert. Eine ähnlich einfache Lösung ist in industriellen Anwendungen mit dem integrierten Rohm-Flyback-Controller möglich, wie die Anwendungsschaltung in Bild 3 zeigt.
Im Unterschied zum Controller von Power Integrations benötigt die Stromerfassung beim Bauteil von Rohm einen externen Widerstand zwischen dem Source-Anschluss des internen MOSFETs und Masse. Dieser externe Widerstand gibt dem Entwickler die Freiheit, über den Widerstandswert verschiedene Grenzwerte für den Strom auszuwählen. Der quasi-resonante Betrieb wird über die Erkennung der Spannung an der Bias-Wicklung über Widerstände als Spannungsteiler auf der Primärseite gesteuert.
Ein wachsender Markt
Power Integrations und Rohm waren quasi Pioniere bei der Entwicklung von Komponenten mit einem hohen Integrationsgrad und einer Nennspannung von 1700 V zum Einsatz in Systemen mit hohen Spannungen. Future Electronics erwartet, dass die Vorteile der Integration und des hohen Wirkungsgrads bei diesen integrierten Flyback-Controllern bei OEMs in der Industrie und, im Fall des INN3947CQ und INN3949CQ, bei OEMs im Automotive-Bereich rasch an Beliebtheit gewinnen werden. Aber auch andere Hersteller werden bald vergleichbare integrierte Flyback-Controller mit SiC-Leistungsschaltern auf diesen schnell wachsenden Markt bringen. (na)
