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Wide Bandgap für die 5G-Infrastruktur

650-V-CoolSiC in modernen Telekommunikations-SMPS

19. Oktober 2021, 12:15 Uhr | Von Francesco Di Domenico, Lead Principal Application Engineering bei Infineon Technologies

Im Zuge des Aufbaus der 5G-Infrastruktur profitieren Telekommunikationsumrichter-Anwendungen der neuesten Generation erheblich von den Eigenschaften und der Leistung der CoolSiC-Technologie. Sie ermöglicht die Realisierung äußerst zuverlässiger, robuster und effizienter Designs.

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Moderne Telekom-SMPS (Switched-Mode Power Supplies), auch Gleichrichter genannt, müssen nach den Regeln und Trends der kommenden 5G-Infrastruktur entworfen werden, wobei insbesondere drei Hauptanforderungen aus dem neuen allgemeinen 5G-Systemparadigma zu beachten sind.

Hoher Wirkungsgrad: Mit einem hohen Wirkungsgrad lassen sich die Betriebskosten (OPEX) und die Wärmeabgabe bedingt durch den im Vergleich zu 4G höheren Strombedarf reduzieren.
Nutzung der bestehenden Infrastruktur: Wiederverwendung der bisherigen Schaltschränke, Verkabelungen und Anschlüsse sowie der Stromverteilung; der Footprint der Systeme sollte sich nicht ändern.
Vereinfachter Betrieb und Wartung sowie hohe Zuverlässigkeit: Durch eine punktgenaue Einrichtung wirken sich die Betriebs- und Wartungskosten (O&M) stark auf die gesamten OPEX aus.

All diese Systemanforderungen haben direkte Auswirkungen auf die verwendete Telekom-SMPS. Zu diesem Zweck sind drei Hauptbereiche innerhalb des 5G-Ökosystems und die jeweiligen typischen Ausgangsleistungen der SMPS zu identifizieren:

Makro-Basis-Sende/Empfangsstationen (Base Transceiver Stations; BTS): 2 kW ≤ Pout ≤ 6 kW
Klein- und Mikro-BTS: 300 W ≤ Pout ≤ 1,5 kW
Aktive Antennensysteme: 2 kW ≤ Pout ≤ 8 kW

Durch das niedrige Profil und die hohe Leistungsdichte wird die Integration des SMPS in die Funkausrüstung möglich, beispielsweise eingebettet in Laternenmasten oder in jeden anderen Anwendungsfall, bei dem Größe, Gewicht und visuelle Wirkung von Bedeutung sind – das gilt etwa für die großflächige Einrichtung von Klein- und Mikrozellen. Diese Eigenschaften ermöglichen es, die Installationskosten zu senken oder bestehende Netzteile durch leistungsfähigere zu ersetzen, ohne dass zusätzliche Schaltschränke benötigt werden. Auf diese Weise werden die Investitionskosten insgesamt positiv beeinflusst.

In direktem Zusammenhang mit dem Trend, den Schaltschrank am Fuß des Mastes zu entfernen, indem Stromversorgung und Geräte auf dem Mast selbst oder auf dem Dach installiert werden, steht der Einsatz von Außeninstallationen. Dadurch lassen sich auch die Mietkosten für den Standort senken. Dieser Trend ist vorrangig bei Kleinzellen-Anwendungen zu beobachten, da immer mehr AC/DC-Netzteile in die Funkausrüstung integriert werden müssen, insbesondere bei 5G-mmWave-Systemen.

Meist werden diese Klein- und Kleinstnetzteile für Basisstationen auf engstem Raum in einem IP65-Gehäuse installiert und sind in der Regel naturbedingt konvektionsgekühlt.

All diese Aspekte stellen eine echte Herausforderung für das Design der Wärmeableitung des Netzteils dar. Der raue Betrieb im Freien verschlimmert die Situation zusätzlich, etwa durch die erheblichen Spannungsschwankungen im Wechselstromnetz, die verstärkt in einigen Ländern auftreten, und durch Wetterereignisse wie Gewitter. Eine typische Folge davon ist die Forderung nach einer breiten Eingangsspannung – typisch sind 85 bis 305 V AC – und einer hohen Überspannungs- und Blitzfestigkeit von bis zu 8 kV DM und CM.

Die erforderliche Flachheit der SMPS-Effizienzkurve ist eine Folge des 5G-Datenverkehrs, der ungleichmäßiger ist als der von 3G und 4G. Es ist zudem ein Zeichen für einen allgemein höheren Auslastungsfaktor des Netzteils, wodurch der Wirkungsgrad bei Volllast genauso wichtig ist wie der bei mittlerer Last.

Eine hohe Zuverlässigkeit ist schließlich notwendig, um die Wartungskosten zu senken, die vor allem bei entlegenen Anlagen beträchtlich sind.

CoolSiC-MOSFETs helfen

Für die SMPS-PFC-Stufe bietet die CCM-Totem-Pole-Topologie eine der besten Kombinationen aus Effizienz und Leistungsdichte. Aufgrund seines „Zero Reverse Recovery“-
Verhaltens ist der CoolSiC-MOSFET 650 V sehr gut für diese Topologie geeignet.

Bild 1 zeigt die gemessenen Wirkungsgrade für verschiedene Gerätetechnologien anhand von Topologien, die für den Einsatz in Telekom-Umrichtern der 97-bis-98-Prozent-Klasse mit 3 bis 3,5 kW maximaler Ausgangsleistung geeignet sind.

Infineons CoolMOS-P7-SJ-Bauteil, das in einer Dual-Boost-Konfiguration verwendet wird, liefert einen Spitzenwirkungsgrad von 98,8 Prozent, während der IGBT Trenchstop5 einen Wirkungsgrad von 98,6 Prozent erreichen kann.