Optimierungs-Potential bei der Synchrongleichrichtung

Effizienz macht sich bezahlt, ganz nach dem Motto: »Wirkungsgrad ist gut für die Umwelt und den Geldbeutel«. Bei Stromversorgungssystemen für PCs und Server werden bereits Forderungen nach 90% minimalem Wirkungsgrad laut. Bei stetig steigenden Energiepreisen lohnt sich das Streben nach maximaler Effizienz. Potenzial zur Optimierung bietet die Synchrongleichrichtung, der größte Einzelbeitrag bei den Gesamtverlusten.

Effizienz macht sich bezahlt, ganz nach dem Motto: »Wirkungsgrad ist gut für die Umwelt und den Geldbeutel«. Bei Stromversorgungssystemen für PCs und Server werden bereits Forderungen nach 90% minimalem Wirkungsgrad laut. Bei stetig steigenden Energiepreisen lohnt sich das Streben nach maximaler Effizienz. Potenzial zur Optimierung bietet die Synchrongleichrichtung, der größte Einzelbeitrag bei den Gesamtverlusten.

Anlagen mit einem hohen Auslastungsgrad, wie es in Telekommunikationsanlagen, Data-Storage- Systemen und Serverfarmen der Fall ist, werden schnell rentabel, zumal ein niedriger Wirkungsgrad durch zusätzliche Kühlmaßnahmen doppelt zu bezahlen ist.

In den verbreiteten 48-VWeitbereichssystemen spielen isolierte DC/DC-Wandler oft eine zentrale Rolle, sei es als IBC (Intermediate Bus Converter) mit Ausgangsspannungen zwischen 6 V und 15 V zur Versorgung von PoL-Wandlern (Point of Load) oder als Einzelmodul zur direkten Versorgung einer oder mehrerer Lasten mit Ausgangsspannungen zwischen 1 V und 5 V.

Isolierte DC/DC-Wandler zeichnen sich durch höchste Leistungs- und Stromdichten aus. Daher ist es unerlässlich, den Beitrag der einzelnen Komponenten zur Verlustbilanz zu überprüfen. Auf der Eingangsseite finden schnelle Leistungsschalter Einsatz, wie die 100-V-Typen der »OptiMOS2«-Reihe von Infineon.

Niedrigste Durchlasswiderstände (RDS(on)) zusammen mit geringsten Ansteuerleistungen ermöglichen effiziente Lösungen. Allerdings liegen die größten Verluste in DC/DC-Wandlern typischerweise in der Gleichrichtung auf der Ausgangsseite.

Um diese Verluste zu minimieren, kommen äußerst niederohmige MOSFETs als Synchrongleichrichter (SR) zum Einsatz. Bild 1 zeigt die Verteilung der Verlustleistung in einem Halbbrückenwandler mit Current-Doubler- Ausgangsstufe. Bei 40 A Ausgangsstrom trägt die SR mit mehr als 33% den größten Einzelbeitrag zu den Gesamtverlusten.

Dieses Kuchenstück unterteilt sich wiederum in Durchlass-, Ansteuer-, Dioden- und Abschaltverluste (Bild 2). Die Dioden- und Abschaltverluste hängen stark von der verwendeten Topologie und den eingestellten Totzeiten ab. Mehr als 70% der Verluste – und damit mehr als 20% der Gesamtverluste im DC/DC-Wandler – entfallen auf die Ansteuer- und Durchlassverluste. Diese Beträge korrelieren ausschließlich mit der verwendeten MOSFET-Architektur.

Die optimale Balance zwischen Ansteuer- und Durchlassverlusten stellt somit den größten Hebel dar, die Gesamteffizienz zu optimieren.

Eine sehr praktische Kennzahl für die beste MOSFETTechnologie unter diesen Betriebsbedingungen ist die FOMGR (Figure of Merit; GR steht für »Gate Drive« und RDS(on)):

FOMGR = (UGS · QG · RDS(on))1/2.

QG und RDS(on) sind die Ladung und der Durchlasswiderstand bei der verwendeten Ansteuerspannung UGS. Unter Verwendung dieser Kennzahl vereinfacht sich die Abschätzung der minimal erreichbaren Verluste zu:

Pmin = FOMGR · ID · (D · fsw)1/2.

ID ist der Drainstrom während der Leitendphase, D der Duty-Cycle (Tastverhältnis) und fsw die Schaltfrequenz. Für jede Kombination von ID und fsw ergibt sich somit ein minimaler RDS(on) (abhängig von der FOMGR) mit minimalen Verlusten zu:

RDS(on),min = (1/ID) · FOMGR · (D · fsw)1/2.

Die Abhängigkeit der Verlustleistung vom On-Widerstand für unterschiedliche FOMGRWerte (Bild 3) zeigt, dass nicht nur eine sehr gute FOMG (= RDS(on) · QG), die bisher meist verwendete Kennzahl für MOSFETs, notwendig ist, sondern eine niedrige FOMG bei abgesenkter Ansteuerspannung, wie die FOMGR es abbildet. Ausgehend von einem Betrieb mit einer Ansteuerspannung von 10 V lassen sich die Ansteuer- und Durchlassverluste durch eine UGS von 4,5 V um 45% reduzieren. Mit einer für niedrige Ansteuerspannungen optimierten MOSFET-Architektur, wie der des »OptiMOS2 20V SLL«, lassen sich weitere 25% einsparen. In Summe lässt sich eine Reduzierung um 60% erreichen. Bezogen auf den Anteil dieser Verluste an den Gesamtverlusten von 20%, sinken die Gesamtverluste um immerhin 12%. Der Kasten »Optimierte MOSFETs für Synchrongleichrichter« und die zugehörige Tabelle zeigen auf, welche Produkte Infineon zu diesem Thema im Portfolio hat.

In einem DC/DC-Wandler gemessene Effizienzen für die etablierten OptiMOS2 mit 30 V Sperrspannung, sowie für die neuen 30-V-Opti- MOS3 und »OptiMOS2 SLL« mit 20 V Sperrspannung bestätigen die abgeleiteten Zusammenhänge (Bild 4). Durch kleine Ansteuerspannungen lassen sich die Gesamtverluste minimieren. Bei einer vorgegebenen Anzahl von MOSFETs, die parallel betrieben werden – in Bild 4 jeweils drei –, ergibt sich eine optimale Ansteuerspannung. Die Balance bildet sich zwischen Ansteuer- und On-Verlusten aufgrund der Abhängigkeit des On-Widerstands von der Ansteuerspannung. Prinzipiell entscheidet eine niedrige FOMGR über die erreichbare Effizienz im System – der RDS(on) lässt sich durch Parallelschalten mehrerer MOSFETs herabsetzen. Insbesondere in isolierten DC/DCWandlern ist aber auch der Platz auf der Platine sehr eingeschränkt. Ein niedriger RDS(on) ist deshalb ebenso wichtig, weil nicht genug Platz für viele MOSFETs ist.

Die in Bild 4 dargestellten Ergebnisse wurden unter kontrollierten und sicheren Laborbedingungen gemessen. Unter realen Bedingungen sind Einflüsse der Parameterschwankungen innerhalb der Bauteilspezifikation und auch der Umgebungsbedingungen (Temperaturen) zu berücksichtigen. Sowohl Parameterschwankungen als auch Temperatur beeinflussen den erreichbaren Durchlasswiderstand über die Einsatzspannung. Die Ansteuerspannung sollte ausreichend hoch sein, um Bauteile mit hohen Einsatzspannungen auch bei den niedrigsten zu erwartenden Temperaturen zuverlässig betreiben zu können. (rh)