Halbbrückentreiber in Stromversorgungen So gehen Verluste runter

Eine Strategie, um die Verlustleistung und die Baugröße von Stromversorgungen zu minimieren, ist das Steigern der Schaltfrequenz. Dadurch entstehen bei den Leistungshalbleitern und ihren Ansteuerungen verschiedene neue Probleme. Dieser Artikel geht auf einige dieser Probleme ein und zeigt Lösungen. Beispielsweise lassen sich mit neuen Halbbrückentreibern Spannungsanstiege bis 50 V/ns realisieren.

Halbbrückentreiber in Stromversorgungen

Eine Strategie, um die Verlustleistung und die Baugröße von Stromversorgungen zu minimieren, ist das Steigern der Schaltfrequenz. Dadurch entstehen bei den Leistungshalbleitern und ihren Ansteuerungen verschiedene neue Probleme. Dieser Artikel geht auf einige dieser Probleme ein und zeigt Lösungen. Beispielsweise lassen sich mit neuen Halbbrückentreibern Spannungsanstiege bis 50 V/ns realisieren.

Bild 1 zeigt das Prinzipschaltbild einer 240-W-Stromversorgung, deren Front-End eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC) aufweist. Dieser Schaltungsaufbau ist typisch für Applikationen im Bereich von 200 W bis 600 W. Angesteuert wird die PFC-Stufe von einem analogen Controller wie zum Beispiel dem »ML4800«, einem kombinierten PFC/PWM-Controller. Bei diesem Leistungspegel wird die PFC im »Continuous Conduction Mode« (CCM) betrieben. Da die PFC schnell, typisch mit 100 kHz arbeitet, müssen die Schaltverluste niedrig sein.

Hinzu kommt, dass der Einschaltwiderstand des MOSFETs RDS(on) oder die Sättigungsspannung UCE(sat) des IGBTs auch niedrig gehalten werden müssen, damit die Verluste beim Schalten der Boostdiode minimal bleiben. Verwendet man einen MOSFET, schaltet dessen Bodydiode im Normalbetrieb nicht durch; eine schnelle Diodenversion ist also nicht notwendig. Wird ein SMPS-IGBT als Schalter verwendet, ist eine zusätzliche antiparallele Diode zu empfohlen, damit der IGBT keinen Strom in Sperrrichtung leitet, welcher durch transiente Vorgänge entstehen kann.

Nach der PFC-Schaltung folgt die Hauptwandlerstufe. Da diese von einer bereits gut geregelten Spannung versorgt wird, kann der Entwickler sein Design für einen relativ engen Betriebsspannungsbereich auslegen. Dadurch verbessert sich der Wirkungsgrad der zweiten Stufe und kompensiert in der Regel den Effizienzverlust der PFC-Stufe. Als Schaltungstopologien werden in der Regel Halbbrücken und Durchflusswandler mit zwei Schaltern verwendet. Bei der Letztgenannten schalten beide Schalter zur gleichen Zeit ein, bei der Halbbrücke geschieht das gegenphasig. In beiden Fällen benötigt das »High-Side«-Bauelement einen speziellen Treiber. Ein Impulstransformator wäre für diese Aufgabe geeignet, aber in modernen Designs ist es üblich, ein Halbbrücken-Treiber-IC einzusetzen, da diese Lösung im Allgemeinen einfacher, zuverlässiger und kostengünstiger ist. Im Falle der Halbbrücken-Topologie ist ein zusätzlicher Inverter für die Gegenphasen-Ansteuerung nötig. Zudem muss die analoge oder digitale Totzeit überwacht werden, damit die Bauelemente niemals gleichzeitig schalten.

Weg von Planar-MOSFETs

Die Schalter, ausnahmslos MOSFETs, arbeiten in jeder Topologie unterschiedlich. Im Falle des Durchflusswandlers sind die Bodydioden normalerweise nicht durchgeschaltet. In zahlreichen Halbbrücken-Lösungen werden diese Bodydioden jedoch durchschalten und vom anderen MOSFET in den Sperrzustand getrieben. Damit ist es von Vorteil, wenn man in diesen Applikationen MOSFETs mit kurzer Rückerholzeit verwendet. Neben den grundsätzlichen technischen Leistungsspezifikationen der Stromversorgungen fordert der Markt in erster Linie einen verbesserten Wirkungsgrad und geringere Abmessungen.