Was Entwickler bei der AC/DC-Wandler-Topologie beachten müssen

Um die Anzahl der potenziellen Topologien einzuschränken, gibt es einige Leitlinien, die Entwickler berücksichtigen sollten. Mit solchen Leitlinien können sie zu Beginn eines neuen Projekts ihre Recherche gezielter ausrichten und effektiver zu einer fundierten Entscheidung für die Topologie gelangen.

Jeder erfahrene Entwickler von Leistungselektronik kann wohl bestätigen, dass die Geschichte voller gescheiterter oder verzögerter Projekte ist, die sich auf Fehlentscheidungen zu Beginn zurückzuführen lassen. Vor der Bewertung der einzelnen Topologien lohnt sich ein Blick auf die zu beachtenden Faktoren, die die Entwicklung von AC/DC-Wandlern in der Anfangsphase auf den falschen Weg bringen können.

Fehlentscheidungen bei der Topologie

Oftmals liegen die Ursachen für Entwicklungsfehler bei Projekten für AC/DC-Wandler in technischen Fehleinschätzungen oder menschlichem Verhalten. Auf der technischen Seite neigen unerfahrene Entwickler zu über den Daumen gepeilten Entscheidungen anhand der maximalen Leistung, die der Wandler liefern soll. Natürlich ist die Leistung ein wichtiger Parameter, jedoch ist sie keinesfalls der einzige Parameter, auf den sich die Wahl der Topologie auswirkt.

Systemgröße und Gewicht, Systemkosten, Wirkungsgrad, thermische Effizienz, Komplexität und Störstrahlung sind weitere Faktoren, die der Entwickler mit der richtigen Topologie optimieren kann. Hierbei ist es allerdings wichtig, dass Entwickler sich vor Augen halten, dass diese Faktoren sich gegenseitig beeinflussen. So hat beispielsweise eine komplexe ZVS-Topologie (Zero-Voltage-Switching) wesentlich geringere Auswirkungen im Bereich der EMV als einfachere Hard-Switching-Topologien. Die zu Beginn eines Projektes getroffenen Entscheidungen sollten Entwickler nicht nur durch die technischen Spezifikationen des Produkts, sondern auch anhand der Fähigkeiten des Entwicklerteams sowie der verfügbaren Zeit bestimmen. Ein Entwicklerteam mit fundierter Erfahrung bei der Begrenzung von Störstrahlung und der Einhaltung von EMV-Vorschriften kann eher eine Hard-Switching-Topologie anstelle der komplexen ZVS-Variante einsetzen.

Tabelle 1: Bewertung der verschiedenen Topologien für AC/DC-Leistungswandler In der Spalte zur Leistungsfaktorkorrektur: CrCM = Critical Conduction Mode und CCM = Continuous Conduction Mode. Future Electronics

Der andere Faktor, der in der Praxis eine sinnvolle Auswahl der Topologie unterminiert, liegt in der Natur des Menschen. Es ist ein häufiger und nur zu verständlicher Fehler, die Auswahl der Topologie zu Beginn überstürzt zu treffen, um schneller zur Entwicklung der Hardware zu gelangen. Das geschieht meist deshalb, damit das Team dem Vorgesetzten einen funktionierenden Prototypen als sichtbaren Beleg für den Fortschritt des Projekts zeigen und ihn möglicherweise damit beeindrucken kann. Tatsächlich ist die Entwicklung der eigentlichen Schaltung und deren Aufbau interessanter und macht häufig mehr Spaß als die langwierige theoretische Erörterung der Topologie.

Eine weitere menschliche Schwäche vieler Ingenieure behindert die Entwicklung von Leistungssystemen: die Tendenz, technische Probleme allein lösen zu wollen, statt im Team zusammenzuarbeiten. Die Wahl der Topologie verlangt normalerweise nach einer sorgfältigen Abwägung der verschiedenen Kompromisse auf der Systemebene. So kann beispielsweise eine Entscheidung, die die Materialkosten verringert, den Wandler jedoch größer und schwerer macht, die Logistik beeinträchtigen und die Transportkosten für das Endprodukt als Ganzes erhöhen. Das sind lauter Faktoren, die manchmal über den Horizont der Entwicklungsabteilung hinausgehen können. Eine ganzheitliche Sicht aller Kosten über den gesamten Lebenszyklus des Produkts hilft dem Entwicklungsingenieur, bessere und fundiertere Entscheidungen zur Auswahl der Bauteile zu treffen.

Insgesamt zeigt die Erfahrung, dass die unzureichende Berücksichtigung der wirtschaftlichen Gegebenheiten dazu führen kann, dass Unternehmen Projekte verzögern oder sogar einstellen.

Frühe Fehler bei der Entwicklung von Leistungselektronik vermeiden

Die Frage, die sich für den Vorstehenden ergibt, ist also: Wie lassen sich Fehler solcher Art verhindern?

Die offensichtliche Antwort ist, das Gegenteil zu tun:

• Umfassende Zusammenarbeit mit den Kollegen in den verschiedenen Abteilungen, um alle Auswirkungen der Entscheidung für eine Topologie zu berücksichtigen.
• Gründliche Untersuchung aller einsetzbaren Topologien und Abwägung aller Faktoren, die von der Auswahl beeinflusst werden.

Bild 1: Das AC/DC-Referenz-Entwicklungsboard GaNdalf für Stromversorgungen von Future Electronics. Future Electronics

Gerade der zweite Punkt kann als besonders schwierig erscheinen, weil es so viele verschiedene Topologien zu bewerten gibt. Tatsächlich ist das alles nicht so beängstigend, wie es auf den ersten Blick erscheinen mag, denn bei einer gegebenen Leistung kann man gewöhnlich die Auswahl auf zwei oder drei geeignete Topologien einschränken.

Tabelle 1 hilft bei der ersten Einschätzung. Sie enthält für jede Topologie eine Punktzahl zu jedem technischen Faktor, den es zur berücksichtigen gilt. Dabei hat die beste Topologie einen Wert von 5 und die schlechteste einen Wert von 1. Diese Punktzahlen geben eine grobe Einschätzung, und erfahrene Entwickler von Leistungselektronik mögen den einen oder anderen Wert anzweifeln. Insgesamt liefert die Tabelle jedoch brauchbare Anhaltspunkte, um die Auswertung der Topologien zu lenken und die Entwickler auf mögliche Kompromisse gegenüber den Kollegen vorzubereiten.

Auswirkungen neuer technologischer Optionen

Über die Wahl der Topologie hinaus gibt es ein weiteres wichtiges Element, mit dem sich der Entwickler beschäftigen muss, bevor er die Hardware implementiert: neue Bauteile oder Technologien, die die Gegebenheiten und Möglichkeiten seit den letzten Entwicklungsprojekten verändert haben.

Heute sollten beispielsweise viele Entwickler von AC/DC-Wandlern den Einsatz neuer Leistungskomponenten mit weitem Bandabstand aus Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) in Erwägung ziehen. Sie schalten im Vergleich zu Silizium wesentlich schneller und lassen sich zudem bei höheren Temperaturen einsetzen.

Diese Merkmale werden besonders dann attraktiv, wenn es bei der Entwicklung vornehmlich um hohe Leistungsdichte bei geringen Abmessungen und niedrigem Gewicht geht. SiC-MOSFET, die heute in Produktionsstückzahlen von Herstellern wie ST Microelectronics, Rohm Semiconductor und Microsemi (jetzt ein Unternehmen der Microchip-Gruppe) verfügbar sind, erlauben den Einsatz kleiner Kondensatoren und Induktivitäten für eine geringere Größe der gesamten Wandlerbaugruppe. Die höhere maximale Betriebstemperatur der SiC-Bauteile ermöglicht bisweilen sogar in Gehäusen mit hoher Bestückungsdichte und eingeschränktem Luftdurchsatz den Betrieb ohne Lüfter oder Kühlkörper, wie er bei Silizium-MOSFET normalerweise notwendig wäre.

Die X-Gan-HEMTs (High Electron Mobility Transistor) von Panasonic bieten ähnliche Vorteile auf dem GaNdalf-Referenz-Entwicklungsboard von Future Electronics (siehe Abbildung 1). Diese Entwicklung ist ein Beispiel für die brückenlose Totem-Pole-Topologie in der Stufe zur Leistungsfaktorkorrektur (PFC) eines AC/DC-Netzteils < 1 kW. Der Einsatz von GaN-Transistoren trägt zum hohen Wirkungsgrad von über 99,0 Prozent in der PFC-Stufe bei.

Bild 2: Das MPX2001 Evaluation-Kit, als kompaktes Beispiel für ein Netzteil oder Ladegerät zu einem Computer oder Smartphone. Monolithic Power Systems

Das zweite wichtige neue Konzept bei der Entwicklung von AC/DC-Wandlern ist die Integration des primären und sekundären Controllers in einem IC für Wandler mit Leistungen unter 80 W. Möglich macht diesen Ansatz ein Leistungs-Controller-IC von Monolithic Power Systems. Das MPX2001 ist eine vollintegrierte Lösung für Sperrwandler. Es ist ein Sperrwandler-Controller mit integrierter Steuerung für die Primär- und Sekundärseite sowie einem synchronen Gleichrichtertreiber mit kapazitiver Trennung. Mit dem MPX2001 lässt sich die Komplexität der Systeme verringern, da kein Rückkopplungskreis erforderlich ist. Das senkt auch die Materialkosten. Gleichzeitig lässt sich ein synchroner Gleichrichter an das Treibersignal des MOSFET auf der Primärseite anpassen. Damit arbeitet der Gleichrichter sicher im Dauerstrommodus (CCM) für einen besseren Gesamtwirkungsgrad und eine höhere Flexibilität.

Das Evaluation-Kit EVKT-MPX2001-45-PD von Monolithic Power Systems demonstriert den Wirkungsgrad des AC/DC-Wandlers (siehe Bild 2). Dies ist eine Entwicklung eines 45-W-USB-Power-Delivery-Netzteils zur Stromversorgung über einen USB-C-Stecker. Es übertrifft die Anforderungen zum Wirkungsgrad nach den Standards US Department of Energy Level VI und European CoC Tier 2. Die Leistungsaufnahme im Leerlauf beträgt < 0,075 W.

Fazit

Die Kombination aus verbesserten Bauteiletechnologien, die umfassende Berücksichtigung der verschiedenen Vor- und Nachteile der einzelnen Wandlertopologien und das Verständnis der Anforderungen der anderen Abteilungen außerhalb des Entwicklungslabors ermöglicht es den Entwicklern von Stromversorgungen, ihren Projekten die besten Chancen mit auf den Weg zu geben, um zu einem erfolgreichen Abschluss zu gelangen und die Entwicklungsspezifikationen des Produkts zu erfüllen oder zu übertreffen.

(prm)