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Rohm Semiconductor

Netzteile mit 1700-V-SiC-MOSFETs plus Regler einfach designen

8. September 2021, 9:00 Uhr | Youngku An und Muzaffer Albayrak, Rohm Semiconductor

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Verbesserung des Wirkungsgrades

Der integrierte 1700-V-SiC-MOSFET gewährt in industriellen Anwendungen mit dreiphasiger Eingangsspannung verschiedene Vorteile, durch die sich der Wirkungsgrad steigernlässt. Auch die Verlustleistung, die durch den hohen Leitungsstrom auf der Primärseite des isolierten Transformators entsteht, sinkt durch die hohe Eingangsspannung. Dieser ist besonders in Hilfsstromversorgungen von Vorteil, in denen ein höherer Wirkungsgrad gefordert ist.

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Der quasiresonante Betrieb reduziert die Verlustleistung während langsamer Schaltvorgänge, wenn kein Strom fließt. In diesem Betriebsmodus variiert die Schaltfrequenz bei unterschiedlichen Lastbedingungen. Der Betrieb wechselt bei niedriger Lastin den lückenden Betrieb (Discontinuous Conduction Mode, DCM) und die Schaltfrequenz steigt. Ab einer bestimmten Last geht der Betrieb in den Grenzleitungsmodus (Boundary Conduction Mode, BCM) über und die Schaltfrequenz nimmt mit steigender Last ab. Bild 1 zeigt die Signalverläufe im BCM und DCM.

Im konventionellenquasiresonantenBetrieb kann bei steigender Eingangsspannung und sinkender Last die Schaltfrequenzstark ansteigen. Dies liegt daran, dass die Einschaltzeit (T_ON) des MOSFETs zu kurz wird, wodurch sich die Schaltfrequenz entsprechend erhöht. Damit steigen die Schaltverluste erheblichund es kann zu akustischen Störgeräuschen kommen, insbesondere wenn in einer industriellen Anwendung mit Dreiphasen-Eingang und geringen Lasten eine höhere Eingangsspannung angelegt wird. Die T_ON des MOSFETs kann theoretisch sehr knapp bemessen sein. Dadurch werden sowohl der Transformator als auch der Schalttransistor unerwartet groß und kostenintensiv. Die Controller-ICs von Rohm bieten zur Lösung des Problems eine ON-Width-Steuerfunktion, bei der die Schaltfrequenz in Abhängigkeit von der Feedback-Pin-Spannung (FB-Pin-Spannung) eingestellt wird. Die T_ON wird durch den Vergleich der FB-Pin-Spannung bei 1/AV mit der Source-Pin-Spannung ermittelt.

Testumgebung und -aufbau

Das Evaluation-Board kann entweder mit maximal 480 V Wechsel- oder 900 V Gleichspannung am Eingang arbeiten (Bild 2). Die Ausgangsleistung beträgt bei Raumtemperatur 48 W. Als Stromquelle sowie zur Messung von Leistungsfaktor, Eingangsleistung, Oberschwingungsstrom diente das Labornetzteil EC750SA von Nihon Denkei, für die Ausgangslast die elektronische Last PLZ205W von Kikusui.

Bild 3 vergleicht die Wirkungsgrade des Wandlers mit dem BM2SCQ123T (rote Kurve) und einer diskreten Implementierung mit zwei in Serie geschalteten Silizium-MOSFETs (blaue Kurve). Der hervorgehobene Wirkungsgrad für den BM2SCQ123T liegt im angestrebten 48-W-Leistungsbereich um 5 Prozent höher und die Verlustleistung um 28 Prozentniedriger als bei einem Wandler mit Silizium-MOSFET. Ein Kühlkörper ist nicht erforderlich. Der Grund dafür ist, dass der Einschaltwiderstand R_DS(on) des SiC-MOSFETs viel kleiner ist als der der Silizium-MOSFETs.

Eine Thermografie dokumentiert die unterschiedlichen Verluste. Im gleichen Leistungsbereich von 48 W steigen die Temperaturen bei der diskreten Implementierung mit Silizium-MOSFETs trotz Kühlkörper auf über +120 °C (Bild 4). Im Gegensatz dazu beträgt die Temperatur auf dem BM2SCQ123T-EVK-001 nur +72 °C – und zwar ohne Kühlkörper (Bild 5).

Fazit

Das Evaluation-Board von Rohm zeigt, dass sich Kosteneinsparungen auf Systemebene erzielen lassen, wenn die Vorteile von SiC-Bauteilen komplett ausgeschöpft werden. Die quasiresonanten AC-DC-Wandler der SerieBM2SCQ12xT-LBZ im TO-220-6M-Gehäuse machen Entwicklungen mit Siliziumkarbid einfacher denn je und maximieren die Einsparungen bei der Anzahl der Teile und der Leiterplattenfläche. Die Produkte sind bereits am Markt verfügbar.