Höhere Leistungsdichte
Infineons neue MOSFET-Generation in 40 V und 60 V
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
OptiMOS in der Praxis
Warum die Verbesserung aller drei Parameter so wichtig ist, wird im Folgenden anhand der sekundärseitigen Gleichrichtung in einer typischen Server-Stromversorgung gezeigt. Leicht lassen sich aber die gezeigten Werte auch auf andere Applikationen übertragen. So kann in praktisch allen Anwendungen, in denen bisher noch 40-V- oder 60-V-Schottky-Dioden eingesetzt werden, durch den Einsatz der neuen MOSFET-Generation das thermische Management deutlich vereinfacht und somit Kosten eingespart werden.
Eine typische Server-Stromversorgung liefert an einem 12-V-Ausgang zwischen 600 W und 2.400 W bei 100 % Ausgangslast. Die sekundärseitige Gleichrichtung wird dabei standardmäßig mit Hilfe von Synchrongleichrichtern realisiert, also MOSFETs. Je nach Topologie und Auslegung des Transformators sind dabei 40-V-, 60-V- oder auch 75-V-/80-V-MOSFETs notwendig. In der Vergangenheit wurden dafür parallelgeschaltete MOSFETs im TO220 mit voluminösen und teuren Kühlkörpern eingesetzt. Seit der Einführung der OptiMOS-3-Generation vor einigen Jahren konnten immer mehr dieser bedrahteten Bauteile durch Transistoren im SuperSO8-Gehäuse ersetzt werden.
Betrachtet man sich nun die Verteilung der Verluste in einer solchen Stromversorgung mit 50 A Ausgangsstrom bei 12 V Ausgangsspannung, so ist sofort zu sehen, dass in den unterschiedlichen Lastbereichen jeweils andere Verlustmechanismen dominierend sind.
Die Verluste im MOSFET sind im Wesentlichen:
- Gate-Ansteuerung (Gate-Drive Losses)
- Schaltverluste abhängig von der Ausgangskapazität (Output Capacitance Losses)
- Leitungsverluste (Conduction Losses bzw. RDS(on) Losses)
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Über den gesamten Lastbereich gesehen verändert sich dabei der prozentuale Anteil der verschiedenen Verlustmechanismen an den Gesamtverlusten erheblich. In Bild 3 ist dies am Beispiel eines IPP028N08N3 G in der sekundärseitigen Gleichrichtung einer TTF (Two-Transistor-Forward Converter) gezeigt.
Bei einer hohen Ausgangsleistung und somit dem maximalen Strom machen die Leitendverluste (Conduction Losses) den Löwenanteil aus. Etwa 80 % der gesamten Verluste entfallen hier auf die RDS(on)-Verluste. Diese wären einfach zu verringern durch (ggfs. massive) Parallelschaltung von MOSFETs.
Bei kleiner werdender Ausgangsleistung wird dann allerdings zunehmend ein anderer Verlustleistungs- mechanismus dominierend: Die Verluste durch die Ausgangskapazität. Im gezeigten Beispiel trägt sie bei 20 % Last mit mehr als der Hälfte zu den gesamten Verlusten bei. Dazu addieren sich auch noch die - über den gesamten Bereich nahezu unveränderten - Gate-Ansteuerungsverluste, die im gezeigten Beispiel etwa weitere 30 % zu den Gesamtverlusten der Synchrongleichrichtung beitragen.
Ein Großteil der Verluste entsteht also gar nicht während der Phase der Stromleitung der Synchrongleichrichter-MOSFETs, sondern nur während der wenigen Nanosekunden der Ein- oder Ausschaltvorgänge. Woran dies liegt, ist recht einfach zu verstehen: Sowohl Gate-Ansteuerleistung als auch die Verluste durch die Ausgangskapazität sind nahezu ausgangsstrom-unabhängig, haben also über den gesamten Lastbereich einen konstanten Wert. Im Gegensatz dazu stehen die Leitendverluste: Diese steigen mit dem Quadrat des Stromes an und sind somit meist schon bei mittleren Ausgangsströmen dominierend.
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- Ein MOSFET genügt
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