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Schuld ist nur der Durchlasswiderstand?

Mit dem richtigen MOSFET Schaltnetzteil-Verluste verringern

10. August 2017, 3:00 Uhr | Von Marty Brown

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Fortsetzung des Artikels von Teil 4

Abschätzung der Verluste

Um die MOSFET-Verluste zu ermitteln, müssen zunächst die Energieverluste (in Joule) während eines jeden Verlustzeitraums innerhalb eines Schaltzyklus abgeschätzt werden. Zur Berechnung der Schalt-/Treiber-Leistungsverluste (in Watt) sind die berechneten Energieverluste während eines jeden Verlustzeitraums mit der Schaltfrequenz zu multiplizieren. Die Energieverluste während jedes Verlustzeitraums sind im Formel-Kasten dargestellt.

Die Wellenformen werden als Integrale ausgedrückt, da die Wellenformen für Strom und Spannung komplex und nicht rechteckig sind. Auf grafische Weise lassen sich anhand der Plots stückweise Bereiche unter der Kurve unter Verwendung dreieckiger, rechteckiger oder trapezförmiger Flächen aufsummieren.

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Der Gesamtwirkungsgrad

Die alleinige Betrachtung des Wirkungsgrades eines Netzteils unter nur einer Betriebsbedingung kann zu falschen Schlüssen führen. Bei Berücksichtigung der Schwankung des Wirkungsgrades über den erwarteten Bereich der Ausgangslast und der Eingangsspannung ergibt sich ein klareres Bild der Leistung des Netzteils über dessen gesamten Betriebsbereich. Der in Bild 3 zu sehende Spitzen-Wirkungsgrad kann bei der Auswahl eines für das jeweilige Design und für den jeweiligen Betriebsbereich passenden MOSFET hilfreich sein. Dies heißt, der Spitzen-Wirkungsgrad sollte dort auftreten, wo das Netzteil mehr als 90 % seiner Betriebszeit verbringt.

Bild 9 ist eine qualitative Darstellung des Verhaltens der drei Verlustarten über den Lastbereich. Es beschreibt lediglich die Verluste einzeln für sich und nicht alle zusammen. Wenn diese Verluste kombiniert, das heißt aufsummiert werden, ist das Ergebnis weitaus informativer. In Bild 9 ist ein Beispiel für ein unerwünschtes Ergebnis aufgrund einer falschen Bauteilauswahl dargestellt.

Im Beispiel Bild 10 werden ein MOSFET mit sehr niedrigem R_DS(on) und ein MOSFET mit höherem R_DS(on) aus derselben Baustein-Familie miteinander verglichen. Der MOSFET mit dem niedrigeren R_DS(on) hat einen geringeren Wirkungsgrad als der MOSFET mit dem größeren R_DS(on). Selbstverständlich unterliegen die Ergebnisse einer Vielzahl von MOSFET-Parametern und Betriebsbedingungen.

In diesem Fall erhöht die Auswahl des MOSFET mit niedrigen RDS(on) die Werte für Ciss und Crss. Dies macht einen höheren Gate-Treiber-Spitzenstrom erforderlich. Wenn der Gate-Treiber diesen Spitzenstrom nicht kurzfristig liefern kann, schaltet der MOSFET langsamer (längere tsw und geringere dU_D/dt). Dies führt zu einer drastischen Vergrößerung der Drain-Source-Schaltverluste und Gate-Treiberverluste. Der Gate-Treiber erfährt größere Verluste aufgrund der Amplitude des Gate-Spitzenstroms und der längeren erforderlichen Zeit für das Umschalten des MOSFET.

Die resultierenden Treiber- und Drain-Source-Schaltverluste können den Wirkungsgrad bei kleineren Lasten beträchtlich verschlechtern und verschieben zudem rechnerisch die Gesamtwirkungsgrad-Kurve um den Betrag dieser Verluste nach unten. Der Gesamtwirkungsgrad wird insbesondere bei kleineren Lasten verschlechtert und verschiebt den Spitzen-Wirkungsgrad hin zu größeren Lasten. Ein geringerer R_DS(on) führt tatsächlich zu einer Verringerung der Leitungsverluste, der Gesamteffekt ist jedoch eher marginal. Im Wesentlichen sind die Leitungsverluste für die Krümmung der Wirkungsgradkennlinie verantwortlich. Die Krümmung der Kurve wird für kleinere R_DS(on) geringer.

Die Erhöhung des Wirkungsgrads aufgrund des verringerten R_DS(on) ist rein rechnerischer Natur. Die Leitungsverluste werden immer noch überwiegend vom Quadrat des Drain-Stroms dominiert. Dies hilft bei höheren Lasten, bei denen der Wirkungsgrad von den Leitungsverlusten dominiert wird. Im Fall von Bild 10 war der Einfluss der höheren Schalt- und Treiberverluste größer als die Verbesserung durch den erhöhten Wirkungsgrad und die Krümmung. Dies ist ein durchaus mögliches Ergebnis.

Bild 7 zeigt, wie sich der Wirkungsgrad eines Netzteils im Fall einer Eingangsquelle mit niedriger Impedanz mit der Eingangsspannung ändert. Bei einer Eingangsquelle mit höherer Impedanz, beispielsweise mit einem Leistungsfaktor-Vorregler, würde die Wirkungsgradkurve anders aussehen.

Literatur

JEDEC-Norm: Terms, Definitions, and Letter Symbols for Discrete Semiconductor and Optoelectronic Devices, JESD77-B, Seiten: 4-28 bis 4-44, URL: www.jedec.org/sites/default/files/docs/jesd77b.pdf.

Der Autor

Marty Brown ist derzeit als Berater für die Elektronikindustrie im Bereich energieeffiziente Energieumwandlung und Leistungshalbleiter-Bestimmung tätig. Der Elektroingenieur hat sich auf analoge Schaltungen, AC- und DC-Stromwandler-Schaltungen, Multichemie-Batterielade- und Überwachungssysteme, Embedded-Mikrocontrollersysteme sowie die Leistungshalbleiter-Definition spezialisiert und besitzt Erfahrung bei Mixed-Signal-Halbleiterbauelementen. Brown ist IEEE Senior Member und hat einen Bachelor of Science in Elektrotechnik an der Drexel University in Philadelphia, USA, erworben. Er ist Autor des in drei Sprachen übersetzten Power Supply Cookbook.