Auf einen Blick
Für die weitere Optimierung der Eigenschaften von Schaltreglern ist es unumgänglich, dass die bisherigen hartgeschalteten Topologien durch Technologien mit weichen Schaltvorgängen abgelöst werden. Wird zum Beispiel bei Nullspannung (Zero Voltage Switching, ZVS) geschaltet, werden automatisch die Schaltverluste reduziert, da beim Einschalten die Spannung über dem MOSFET nahezu Null ist. Dadurch wird die Regelung einer höheren Eingangsspannung bei gleichzeitiger Reduzierung der Schaltverluste und damit höheren Wirkungsgraden möglich. Außerdem kann dadurch auch eine Erhöhung der Taktfrequenz realisiert werden, wodurch sich eine weitere Reduzierung der Reglerbaugröße ergibt.
Die Entwicklung von Buckreglern wurde durch Anforderungen in verschiedenen Applikationen bei der Versorgung kompletter Systeme geprägt. Sei es im Bereich von Automotive, Computern, Industrie oder Militär, überall werden immer höhere Leistungen gefordert. Die Regler mussten daher mehr Leistung liefern, bessere Wirkungsgrade aufweisen und gleichzeitig kleiner werden. Die Grenze für diese Verbesserungen bildete dabei die Reduzierung der Schaltverluste im Regler, die sich mit steigender Eingangsspannung und Taktfrequenz erhöhten. Diese Schaltverluste verhindern eine deutliche Verbesserung der Stromversorgung eines gesamten Systems. In einer industriellen Anwendung kann zum Beispiel für die Erzeugung von 3,3 V aus dem 24-V-Netz zuerst eine 12-V-Spannung erzeugt werden, aus der dann mit einem zweiten Wandler die 3,3 V generiert werden. Im Gegensatz dazu würde eine einzige Wandlerstufe, die aus den 24 V direkt die 3,3 V mit gleichem oder höherem Wirkungsgrad erzeugen kann, eine deutliche Verbesserung in Bezug auf Kosten, Platzbedarf und Zuverlässigkeit bedeuten.
Eine Erhöhung der Eingangsspannung am Regler bewirkt normalerweise eine drastische Reduzierung des Wirkungsgrades, weshalb die meisten Entwickler eine zweistufige Lösung nutzen, um aus hohen Eingangsspannungen die eigentliche Lastspannung zu erzeugen. Der niedrigere Wirkungsgrad liegt an den Schaltverlusten des MOSFETs im Regler, welche sich durch höhere Spannungen und Ströme ergeben. Eine Erhöhung der Taktfrequenz bewirkt eine weitere Zunahme der Verluste und damit weitere Einschränkung der Reglereigenschaften. Mit steigender Eingangsspannung und Taktfrequenz nehmen auch die Verluste durch die Umladung der Miller-Kapazität sowie durch die Body-Diode weiter zu.
ZVS-Topologie in einem Abwärtsregler
Bild 1: Wirkungsgradkurve des Picor Cool-Power ZVS Buck-Reglers bei 24-V-Eingang.Picor/Vicor
Das Schalten bei Nullspannung wird normalerweise mit hochwertigen, isolierten Wandlern in Verbindung gebracht. Aber auch in Abwärtsreglern ist diese Schaltung möglich und sie bietet mehrere Vorteile. Betrachten wir zuerst den Wirkungsgrad.
Bild 1 zeigt die Wirkungsgrade bei 24 V Eingangsspannung und eine Verbesserung von fünf bis zehn Prozent gegenüber hochkompakten, hartgeschalteten Abwärtswandlern mit zusätzlich niedrigerer Taktfrequenz. Betrachtet man die Verluste, bietet ein weich geschalteter Buckregler eine Verbesserung um 50 bis 60 Prozent im Vergleich zu Wandlern mit niedrigerer Frequenz. Würden konventionelle Wandler mit höherer Taktfrequenz arbeiten, wären die Unterschiede noch größer. Diese reduzierten Verluste bedeuten bei gleicher Leistungsübertragung eine geringere Temperaturerhöhung des Gehäuses und damit eine höhere Leistungsdichte. Der Entwickler kann dadurch die bisherige zweistufige Lösung durch einen einzigen Wandler ersetzen und erzielt damit die gleichen beziehungsweise besseren Eigenschaften.
Wie in Bild 2 gezeigt, kann man auch einen direkten Vergleich zwischen einer herkömmlichen Buck-Topologie und der neuen ZVS-Technologie machen. Typischerweise startet man mit dem Beginn eines kompletten Schaltzyklus (gelber Balken), bei dem der obere MOSFET einschaltet. Kurz vor diesem Zeitpunkt fließt noch Strom durch die Ausgangsdrossel und den unteren synchronen MOSFET. Um einen Stromfluss quer über beide MOSFETs zu vermeiden, ist eine genaue Balance zwischen Ausschalten des Synchron-MOSFETs und Einschalten des oberen MOSFETs zu beachten.
Bild 2: Vergleich zwischen konventioneller und ZVS-Buck-Topologie.Picor/Vicor
Dieser Nachteil im Design führt oft zu einem Stromfluss über die Body-Diode. Dies wiederum bedeutet, dass die durch Stromspitzen aufgebauten Ladungsträger zuerst ausgeräumt werden müssen, bevor die Diode wieder Reverse-Spannungen sperren kann. Dadurch wird die Spannung am oberen MOSFET praktisch auf die Eingangsspannung geklemmt, was stark durch die parasitären Induktivitäten bestimmt wird. Gleichzeitig fließt ein hoher Strom durch die Body-Diode und den oberen MOSFET bis die Ladungsträger ausgeräumt sind und die Body-Diode anfängt zu sperren.
Bis zu diesem Zeitpunkt sind die sofortigen Verluste im oberen MOSFET ziemlich hoch. Ein Teil sind die Verluste durch den Ausräumstrom der Bodydiode, der andere Teil sind Umladeverluste der MOSFET-Ausgangskapazität. Zugleich entstehen Verluste im unteren MOSFET durch den für das Ausräumen der Ladungsträger notwendigen Strom. Steigen Taktfrequenz und Eingangsspannung erhöhen sich diese Verluste. Die Leistungskurve für Q1 eines konventionellen Buckreglers in Bild 2 zeigt diesen Effekt beim Einschalten. Die sofortige Leistungsspitze beim Einschalten kann in Wandlern mit hohen Taktfrequenzen eine dominierende Rolle bei den Gesamtverlusten des oberen MOSFETs spielen. Es gab verschiedene Versuche, diese durch den Stromfluss in der Body-Diode erzeugten Schaltverluste zu reduzieren. Unter anderem waren dies ein schnelleres Schalten, adaptive Gate-Treiber und MOSFETs mit verbesserten Eigenschaften.
Die ZVS-Topologie startet den Schaltzyklus mit nahezu keinem Stromfluss in der Ausgangsdrossel. Durch einen speziellen ZVS-Zyklus ist die Spannung über Q1 ebenfalls fast Null und beim Einschalten steigt der Strom in der Induktivität von Null bis zu einem Maximalwert, bei dem Q1 abschaltet. Der Strom in der Induktivität wird für weniger als 10 ns zur Body-Diode kommutiert und Q2 schaltet ein. Die in der Induktivität gespeicherte Energie wird an den Ausgang abgegeben. Das Abschalten von Q2 wird so lange verzögert, bis ein negativer Strom von der Ausgangskapazität zurück über die Induktivität fließt. Dadurch wird Energie in der Drossel gespeichert.
Als nächster Schritt wird der Klemmschalter aktiviert und die gespeicherte Energie zirkuliert solange, bis Q1 wieder einschalten muss. VS wird dabei auf Vout geklemmt. Für das Schalten bei Nullspannung wird der Klemmschalter geöffnet. Die gespeicherte Energie geht in Resonanz mit den Ausgangskapazitäten von Q1 und Q2 und der Resonanzstrom fließt von S zu D von Q1 und von D zu S in Q2. Dieser Resonanzvorgang entlädt die Ausgangskapazität von Q1 während die Ausgangskapazität von Q2 geladen wird. Q1 kann dann verlustfrei einschalten.
Hohe Einschaltverluste verhindern
Bild 3: Der integrierte ZVS-Buck-Regler mit hoher Eingangsspannung benötigt für das Design eines kompletten, getakteten Abwärtswandlers nur Kapazitäten am Ein- und Ausgang sowie eine Ausgangsdrossel.Picor/Vicor
Die ZVS-Buck-Topologie verhindert die hohen Einschaltverluste konventioneller Wandler, da vor dem Einschalten des oberen MOSFETs keine hohen Ströme durch die Body-Diode fließen und die Drain-Source-Spannung dieses MOSFETs durch den Resonanzvorgang zu Null beziehungsweise nahezu Null wird. Dadurch kommt es auch nicht zu hohen Stromspitzen oder gefährlichen Aufschwingvorgängen. Dieser ZVS-Vorgang an Q1 verhindert auch den Miller-Effekt beim Einschalten, was eine kleinere Gate-Treiberschaltung mit geringeren Strömen ermöglicht.
Die reduzierten Schaltverluste eines ZVS-Buck-Reglers ermöglichen einen Betrieb bei höheren Schaltfrequenzen, die etwa zwei- bis dreimal höher als die von konventionellen, hartgeschalteten Wandlern sein können. Dies hat nicht nur eine höhere Leistungsdichte mit kleineren passiven Komponenten zur Folge (Bild 3), sondern reduziert auch den Aufwand für ein externes Filter und ermöglicht eine schnellere Reaktion auf Transienten am Eingang und Ausgang.
Chris R. Swartz
(jj)
