Schaltwandler in Computernetzteilen MOSFETs nach neuer Leistungskennzahl auswählen

Dieser Artikel beschreibt die Methode der Verlustanalyse, die eine anwendungsspezifische Kenngröße ergibt. Hierbei werden die Verluste in der Anwendung überschlägig als gewichtete Summe verschiedener Bauteilparameter berechnet.

Die Standard-Implementation eines Schaltnetzeils ist der Aufwärtswandler, bei dem die Leistungsfaktorkorrektur dem Eingangsgleichrichter folgt. Zwar gewinnen andere Funktionsprinzipien an Bedeutung, aber eine Aufwärtswandler-PFC wird immer noch am häufigsten eingesetzt; darum wird sie im Rahmen dieses Artikels detailliert untersucht. In Server- und PC-Netzteilen ist die Leistungsfaktorkorrektur nur ein Teil des Bildes. Darüber hinaus gibt es Anforderungen z.B. an den Wirkungsgrad, die im Standard „80 Plus“ festgelegt sind. Es gibt unterschiedliche Klassen dieses Standards von „Standard 80 Plus“ bis zu „Titan 80 Plus“ (Tabelle).

Angesichts der hohen Anforderung an den Wirkungsgrad ist die Auswahl der geeigneten Bauteile auch für einen erfahrenen Entwicklungsingenieur nicht ganz einfach.

Das oberste Kriterium ist natürlich die tatsächliche Systemleistung. Angesichts des breiten Angebots von MOSFETs in verschiedenen Spannungen und Gehäusen ist es nicht sinnvoll, alle Typen einer Vorauswahl einfach experimentell durchzuprobieren. Manche Entwicklungsingenieure wählen einfach den MOSFET mit dem kleinsten RDS(on), aber das führt unvermeidlich zu einer suboptimalen und zu teuren Lösung. Andere verlassen sich einfach auf eine sogenannte Kennzahl (FOM, Figure Of Merit).

Traditionell sieht man als Kennzahl das Produkt aus RDS(on) und QG an, das für einen Kompromiss aus Schalt- und Durchlassverlusten steht. Es wurden auch schon Variationen dieser Definition vorgeschlagen, die beispielsweise statt QG andere MOSFET-Parameter verwenden, etwa QGD oder QOSS, oder weitere Termini in die Gleichung mit aufnehmen.

Ärgerlicherweise lässt keine der üblichen Kennzahlen einen direkten Schluss auf die wirkliche Leistung eines Schaltwandlers zu, gibt dem Entwicklungsingenieur also nicht die Information, die er eigentlich benötigt. Die Gleichung enthält keine Glieder zu Betriebsbedingungen, etwa Schaltfrequenz, Treiber-Leistung am Gate oder Ausgangsstrom oder -leistung. Die Verluste in jedem Schaltregler sind eine Summe der Durchlass- und der Schaltverluste; die wiederum sind proportional zu RDS(on), der Durchlassspannung UFWD der Bodydiode und den Ladungen QG, QSW, und QOSS. Die bisherigen Definitionen der FOM sind stets Produkte dieser Parameter. Einfach gesagt gründen all diese FOM-Definitionen in der Geräteentwicklung, sind aber blind für die Anwendung. Statt dieser generischen Formeln braucht ein Entwicklungsingenieur eine Verlustanalyse auf Systemniveau, die er dann als Grundlage für die Bauteilauswahl einsetzen kann. Mit einer solchen Analyse spielen sowohl die Betriebsbedingungen als auch die Bauteilparameter bei der Bauteilauswahl eine Rolle.

Verlustgleichungen für einen ­MOSFET im Dauerstrombetrieb

Die Verlustanalyse für einen Schaltwandler ist kompliziert; man braucht dafür eine Menge Bauteilparameter, Parameter der Schaltung und einige komplexe mathematische Formeln. Wir wollen hier die Verluste aber nicht mit letzter Präzision errechnen, sondern wählen ein vereinfachtes Verfahren, das für die meisten Entwicklungsingenieure ausreichend ist und mit dem sie mit einem nur kleinen Satz an Kennziffern aus dem Datenblatt das für ihre Zwecke bestgeeignete Bauteil auswählen können.

Die Grundschaltung eines Aufwärtswandlers und seine wesentlichen Signale sind in Bild 1 gezeigt. Wir arbeiten hier im Dauerstrombetrieb (CCM, Continuous Current Mode). Die Analyse bezieht sich auf Leistungen ab 100 W (einer typischen Leistung für ein Notebook-Netzteil) bis 500 W (einer typischen Leistung für ein Desktop-Netzteil). Die Verluste eines Leistungs-MOSFET lassen sich folgendermaßen aufgliedern:

  • Durchlassverluste über RDS(on)
  • Einschaltverlust: (U × I)-Übergang Ausschaltverlust: (U × I)-Übergang
  • Laden/Entladen der Ausgangskapazität COSS Laden/Entladen der Eingangskapazität CISS
  • Inversdiode: Durchlassspannung UFWD und Kapazität QRR

Bevor die Verluste berechnet werden können, müssen Annahmen über die Betriebsparameter, namentlich Spitzen- und Effektivstrom, Ein- und Ausgangsspannung usw., getroffen werden. Die Durchlassverluste hängen vom Effektivwert des Stroms durch den MOSFET während eines Wechselstromzyklus am Eingang ab. Die Schaltverluste hängen vom Durchschnittswert des Spulenstroms IAC ab.

IAC ist der einfachere Parameter, man erhält ihn als Durchschnittswert des gleichgerichteten Netzwechselstroms in jedem Zyklus: 

space space space left parenthesis 1 right parenthesis space space space space I subscript A C end subscript space equals fraction numerator 2 square root of 2 over denominator pi end fraction times P subscript E i n end subscript over U subscript E i n end subscript space

Der Effektivwert des Stroms durch den MOSFET ist nicht so einfach zu ermitteln. Er verändert sich innerhalb jedes Schaltzyklus und wird am einfachsten numerisch berechnet.

Bild 2 zeigt IAC und Reff als Funktion von UEin bei einem 500-W-Schaltnetzteil. Bei kleineren Eingangsspannungen sind die Werte ganz ähnlich. Bei einer Eingangswechselspannung von 100 V kann man schreiben:

space space space left parenthesis 2 right parenthesis space space space space space space I subscript R M S end subscript space equals space fraction numerator 1 subscript A C end subscript over denominator 1 comma 082 end fraction
space space space space space space space space space space space space space equals fraction numerator 1 over denominator 1 comma 082 end fraction times fraction numerator 2 square root of 2 over denominator straight pi end fraction times P subscript E i n end subscript over U subscript E i n end subscript space almost equal to fraction numerator 1 over denominator 1 comma 2 end fraction times P subscript E i n end subscript over U subscript E i n end subscript space

Wenn man den Effektivstrom kennt, lässt sich der Durchlassverlust berechnen:

space space space left parenthesis 3 right parenthesis space space space space space P subscript C o n d end subscript space equals thin space I subscript R M S end subscript superscript 2 space times space R subscript D S left parenthesis o n right parenthesis end subscript times space T C R space
space space space space space space space space space space space space equals space open parentheses space fraction numerator P subscript E i n end subscript over denominator 1 comma 2 times U subscript E i n end subscript end fraction close parentheses space times R subscript D S left parenthesis o n right parenthesis space times space end subscript R subscript D S left parenthesis o n right parenthesis end subscript space space times space T C R

TCR ist der Temperaturkoeffizient des Widerstandes RDS(on). Typische Werte für 600-V- und 650-V-MOSFETs sind 2,0 bis 2,5.