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GaN-Chipsatz

Kompakte Sperrwandler mit hohem Wirkungsgrad

20. Oktober 2021, 12:54 Uhr | Von Chris Lee, Produktmarketingchef bei Power Integrations

Bild 1: Eine passive, primärseitige RCD-Klemmschaltung verursacht eine signifikante Verlustleistung und reduziert dadurch den Wirkungsgrad von Sperrwandler-Stromversorgungen.

Ein neuer Chipsatz, bestehend aus einem Sperrwandler-IC mit einem robusten 750-V-Galliumnitrid-Schalter auf der Primärseite, kombiniert mit einer neuartigen Hochfrequenz-Active-Clamp-Schaltung, ermöglicht die Entwicklung neuer ultra-kompakter Ladegeräte mit einer Leistung von bis zu 110 W.

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Bei den neuen Chips von Power Integrations handelt es sich um den Zero-Voltage-Switching- (ZVS) Spannungswandler-Controller InnoSwitch4-CZ mit integriertem PowiGaN-Schalter und die ClampZero-Familie, die eine aktive Klemmschaltung bietet. Zusammen ermöglichen diese neuen ICs die Entwicklung von Sperrwandler-Stromversorgungen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 95 Prozent über den gesamten Eingangsspannungsbereich hinweg.

Die InnoSwitch4-CZ/ClampZero-Kombination ermöglicht Sperrwandler-Stromversorgungen mit neuartigen Leistungsmerkmalen. Die Notwendigkeit einer aktiven Klemmschaltung auf der Primärseite ergibt sich aus der primären Streuinduktivität des Transformators. Wenn der primärseitige Schalter ausschaltet, kommutiert die Streuinduktivität und verursacht eine Spannungsspitze, die den MOSFET beschädigen kann. Eine gängige Lösung zum Schutz des MOSFET ist eine passive Klemmschaltung, bestehend aus einem Widerstand, einem Kondensator und einer Diode (RCD, Bild 1). Die Klemmschaltung leitet die in der Streuinduktivität gespeicherte Energie in den Kondensator, von wo sie durch den Widerstand in Wärme umgewandelt wird. Die RCD-Klemmschaltung schützt zwar den MOSFET, reduziert dafür aber den Wirkungsgrad des Spannungswandlers.

In jedem Schaltzyklus geht in der Klemmschaltung Energie verloren. Dies zwingt Entwickler, die maximale Schaltfrequenz zu begrenzen, was wiederum die Verwendung eines größeren Trans-formators erforderlich macht. Daher verringert eine passive Klemmschaltung den Wirkungsgrad eines Sperrwandlers oder erfordert eine größere Stromversorgung mit höherer Wärmproduktion. Effizienter ist es, das passive RCD-Netzwerk durch eine aktive Klemmschaltung zu ersetzen.

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Aktive Klemmschaltung

Anstatt Energie abzuleiten, führt eine aktive Klemmschaltung die in der Streuinduktivität gespeicherte Energie zurück, was den Wirkungsgrad verbessert und die Wärmeentwicklung reduziert. Bei einer aktiven Klemmschaltung wird der Widerstand im RCD-Snubber durch einen Schalter ersetzt. Bei der ClampZero-Schaltung wird ein PowiGaN-Schalter verwendet (Bild 2). Wenn der primärseitige Schalter ausschaltet, schaltet der sekundärseitige Controller den ClampZero-Schalter ein und leitet die in der Klemmenkapazität gespeicherte Energie zum sekundärseitigen, bevor der primärseitige Schalter wieder einschaltet. Die rückführende Klemmschaltung kommutiert den Leckstrom und stellt außerdem sicher, dass die Spannung über dem Primärschalter Null ist, bevor dieser einschaltet (ZVS).

Bei herkömmlichen, aktiven Klemmschaltungen verhalten sich der primärseitige MOSFET und die Klemmschaltung komplementär (solche Designs werden deshalb als „Complementary Active Clamp”-Designs bezeichnet). In dieser Betriebsart kann der Wandler nur im diskontinuierlichen Modus oder kritischen Durchlassmodus arbeiten, aber nicht im kontinuierlichen Durchlassmodus. Das kann bei der Entwicklung von Wandlern mit weitem Ausgangsspannungsbereich (beispielsweise für USB-PD- oder PPS-Ladegeräte) eine Herausforderung darstellen und Designs erfordern, die bei hohen Eingangsspannungen „sehr diskontinuierlich“ arbeiten müssen. Der InnoSwitch4-CZ/ClampZero-Chipsatz überwindet diese Einschränkung.