Mittlerer und unterer Leistungsbereich

Bessere QR/FF-Sperrwandler sind machbar

20. Oktober 2022, 16:00 Uhr | Von Santina Leo, Application Development Engineer, Farhan Beg, technisches Marketing, und Antonino Gaito, Senior Application Engineer im Bereich Leistungs-MOSFET, alle bei STMicroelectronics
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Bild 1: Vereinfachtes Schaltbild eines Sperrwandlers
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LED-Treiber, Ladegeräte und andere Anwendungen auf Basis von Sperrwandlern brauchen einen höheren Wirkungsgrad und eine größere Leistungsdichte, um Energie zu sparen und den Platzbedarf sowie das Gewicht zu reduzieren. Entscheidend ist dabei ist die Wahl des Schalttransistors.

Bei der Wahl des Schalttransistors geht es insbesondere um die neuesten Verbesserungen an der Geometrie und den Herstellungsprozessen dieser Bauteile. Denn damit lässt sich das Produkt aus Drain-Source-Einschaltwiderstand (RDS(on)) und Chipfläche reduzieren, was entscheidend dazu beiträgt, die gestellten Anforderungen zu erfüllen.

Was ist kennzeichnend für Sperrwandler?

Im unteren bis mittleren Leistungsbereich ist der Sperrwandler wegen seines einfachen Designs und seiner relativ niedrigen Systemkosten die meistverwendete Topologie. Auch wenn er hinsicht-lich des Wirkungsgrads nicht ganz mit anderen Topologien mithalten kann, ist der Sperrwandler als Netzteil-Topologie sehr beliebt, da der enthaltene Übertrager für die gewünschte galvanische Isolation sorgt. Eine weitere attraktive Eigenschaft der Sperrwandler-Topologie ist die Tatsache, dass sich mithilfe mehrerer Sekundärwicklungen auf ein und demselben Übertrager verschiedene Ausgangsspannungen erzeugen lassen.

Zu den Haupt-Anwendungsgebieten von Sperrwandlern gehören Ladegeräte, Netzteile und LED-Treiber mit Leistungen von 10 bis 150 W. Den prinzipiellen Aufbau eines Sperrwandlers zeigt Bild 1.

Die zwei gängigen Betriebsarten von Sperrwandlern sind der Festfrequenz- (FF) und der Quasi-Resonanz-Betrieb (QR). Welcher dieser beiden Betriebsarten der Vorzug gegeben wird, hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich Leistung, Wirkungsgrad, gewünschte Abmessungen und Entwicklungszeit.

Wie der Name schon sagt, arbeiten FF-Sperrwandler stets mit einer festgelegten Frequenz, und zwar entweder im nichtlückenden Betrieb (Continuous Conduction Mode, CCM) oder im lücken-den Betrieb (Discontinuous Conduction Mode, DCM).

DCM-Sperrwandler (mit konstanter Schaltfrequenz)

Im lückenden Betrieb arbeitende Sperrwandler kommen üblicherweise dann zum Einsatz, wenn eine geringe Ausgangsleistung benötigt wird. Der Hauptvorteil ist hier, dass keine Rückwärtserholverluste (Reverse Recovery) im Ausgangsgleichrichter auftreten. Andererseits haben DCM-Sperrwandler den Nachteil sehr hoher Welligkeitsströme, weshalb große EMI-Filter erforderlich sein können. Das Funktionsprinzip und die (vereinfachten) Spannungs- und Stromverläufe gehen aus Bild 2 hervor. Während der Einschaltphase des Flyback-MOSFET (ton) steigt der Strom in der Induktivität bis auf den Scheitelwert ILPK an, um nach dem Abschalten des MOSFET wieder auf null zurückzugehen, bevor der MOSFET erneut einschaltet.

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Bild 2: Funktionsprinzip des DCM-Sperrwandlers
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CCM-Sperrwandler (mit konstanter Schaltfrequenz)

Im Festfrequenz-Betrieb arbeitende CCM-Sperrwandler werden typischerweise für Netzteile und kleine Ladegeräte in einem Leistungsbereich oberhalb von 45 W verwendet. Vorteile dieser Betriebsart sind die niedrigen Welligkeits- und RMS-Ströme, die zu geringeren I2R-Verlusten führen. Dank der geringeren Scheitelströme können außerdem kleinere Filterbauteile verwendet werden.

Der größte Nachteil des CCM-Sperrwandlers besteht darin, dass ein höherer Induktivitätswert benötigt wird, weshalb die Abmessungen der Spule größer sein können.
Das Funktionsprinzip dieser Betriebsart und die wichtigsten Strom- und Spannungsverläufe sind in Bild 3 dargestellt. Während der Einschaltphase des Flyback-MOSFET steigt der Strom in der Primärwicklung des Übertragers von einem von null verschiedenen Anfangswert auf einen Scheitelwert ILPK an. Im abgeschalteten Zustand des MOSFET sinkt der Strom wieder ab – allerdings nicht bis auf null.

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Bild 3: Funktionsprinzip des CCM-Sperrwandlers
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QR-Sperrwandler (mit variabler Schaltfrequenz)

Ein Quasi-Resonanz-Sperrwandler ist ein DCM-Sperrwandler, der beim Minimum des Stroms (Val-ley Switching) einschaltet. Diese Variante wird vorrangig in getakteten Stromversorgungen wie etwa Ladegeräten, Netzteilen und Hilfsstromversorgungen eingesetzt. Der wichtigste Pluspunkt des QR-Sperrwandlers sind die geringeren Einschaltverluste des MOSFET. Außerdem sind die lei-tungsgeführten Störgrößen geringer, da sich die Energie der Störaussendungen aufgrund der Mo-dulation der Schaltfrequenz auf ein breiteres Frequenzspektrum verteilt.

Diesen Vorteilen stehen jedoch auch gewisse Nachteile gegenüber. Da es sich effektiv immer noch um einen DCM-Sperrwandler handelt, sind die Scheitel- und RMS-Ströme höher als bei CCM-Sperrwandlern, was zu höheren Leitungsverlusten im MOSFET und zu ebenfalls höheren Verlusten in der Primärwicklung des Übertragers führt. Aus diesem Grund werden QR-Sperrwandler nicht für Anwendungen empfohlen, die eine höhere Leistung bieten oder einen weiten Bereich von 65 W bis 100 W oder sogar darüber abdecken sollen. Das Funktionsprinzip und wichtige Spannungs- und Stromverläufe dieser Schaltung sind Bild 4 zu entnehmen.

Welche Anforderungen stellen leistungsfähige Sperrwandler an den Leistungs-MOSFET?

Unabhängig von der Betriebsart, in der ein Sperrwandler arbeitet, wirken sich der gewählte Schal-ter und dessen Parameter entscheidend auf die insgesamt erzielte Leistungsfähigkeit aus. Topolo-gie und Funktionsweise eines Sperrwandlers führen einerseits dazu, dass der Schalter mit hohen Spannungen konfrontiert wird, sodass dieses Bauelement für das Abschalten eine hohe Durch-bruchspannung aufweisen muss. Andererseits führt die Forderung nach einer hohen Durchbruch-spannung dazu, dass sich wichtige andere Kennzahlen verschlechtern, was neben der größeren Chipfläche auch auf die höheren Eingangs- und Ausgangskapazitäten zurückzuführen ist.


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