Leistungs-MOSFETs
Trench ist nicht immer besser
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Besonderheiten bei kleinen Leistungen
Je niedriger der Leistungsbedarf einer Anwendung ist, desto bedeutender werden die Unterschiede bei den Schaltverlusten. Bei 500 W beispielsweise machen die Durchlassverluste den größten Teil der Gesamt-Leistungsverluste eines MOSFETs aus. Bei Anwendung in diesem Leistungsbereich wählen Entwickler in der Regel eine sanft schaltende ZVS-Topologie (Zero Voltage Switching), um die Schaltverluste zu reduzieren.
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| Art der Implementierung (RDS(on)/UGS) | Controller + MOSFET (1,2 Ω/600 V) | TOPSwitch (3,6 Ω/700 V) | Einschaltverluste in W |
|---|---|---|---|
| Ausgangsleistung |
34,27 W |
34,21 W |
0,18 |
| Eingangsleistung |
39,38 W |
38,63 W |
0,39 |
| Wirkungsgrad |
87 % |
88,6 % |
0,25 |
| Leistungsverlust |
5,11 W |
4,42 W |
0,31 |
| Schaltfrequenz |
76 kHz |
132 kHz |
0,75 |
Tabelle 3: Kenndatenvergleich diskret vs. TOPSwitch (bei UIN = 120 V (AC))
Bei Anwendungen im Leistungsbereich von 50 W bis 75 W hingegen tragen Durchlass- und Schaltverluste etwa gleich viel zum Gesamtverlust bei. Bei Leistungen von etwa 25 W und darunter beginnen die Schaltverluste zu dominieren. Dieser bedeutsame Unterschied kann bei den Überlegungen eines Entwicklers, welches die effiziente Stromversorgungslösung für Anwendungen mit geringem bis mittlerem Leistungsbedarf ist, eine wichtige Rolle spielen.
| Bereich | Verlustart | diskrete Lösung | Lösung mit TOPSwitch |
|---|---|---|---|
| Durchlassverluste |
RDS(on) des MOSFETs |
0,37 W |
1,07 W |
| Strommesswiderstand 0,16 W | entfällt | 0,39 | |
| Schaltverluste | Einschaltverluste | 0,43 W | 0,42 W |
| Umschaltverluste | 1,08 W | vernachlässigbar | |
| Sonstige Verluste | Starterschaltung | 0,03 W (1 W bis 2 W) | vernachlässigbar |
| PWM-Controller | 0,3 W | 0,05 W | |
| Ausgangsdiode | 1,00 W | 0,98 W | |
| Klemmschaltung | 1,20 W | 1,07 W | |
| diverse Verluste (Eingangsfilter, Brücke, Transformator, Ausgangsfilter, sekundärseitige Regelung) |
0,54 W |
0,93 W |
Tabelle 4: Geschätzte Leistungsverluste eines 35-W-Netzadapters
Die Tabellen 3 und 4 zeigen das Verlustleistungsbudget eines typischen 35-W-Netzadapters in zwei verschiedenen Implementierungen:
- diskreter Trench-MOSFET und Controller sowie
- »TOPSwitch«, eine integrierte Lösung von Power Integrations, die einen lateralen Hochspannungs-MOSFET, einen Treiber, einen PWM-Controller und Schutzfunktionen in sich vereint.
Auf den ersten Blick scheint die diskrete Lösung die effizientere zu sein. Der RDS(on) des lateralen MOSFETs im TopSwitch-IC ist fast dreimal so groß wie der des diskreten Trench-MOSFETs. Bei genauerer Betrachtung fällt jedoch auf, dass die Schaltverluste (Umschalt- und Einschaltverluste) des lateralen TOPSwitch-MOSFETs wesentlich geringer sind. Dadurch sind die Gesamtverluste der TOPSwitch-Lösung um 13% geringer als die der diskreten Lösung mit Trench-MOSFET.
Was vielleicht noch wichtiger ist: Die geringeren Schaltverluste bringen dem Entwickler noch einen indirekten Vorteil ein, nämlich größere Designflexibilität. Entwickler, die Trench- MOSFETs einsetzen, versuchen in der Regel, die Schaltverluste durch Wahl einer niedrigeren Schaltfrequenz zu reduzieren. Die diskrete Trench-MOSFET-Lösung beispielsweise arbeitet mit einer Schaltfrequenz von 76 kHz.
Die auf einem lateralen MOSFET basierende Alternative arbeitet hingegen mit einer Schaltfrequenz von 132 kHz − und das bei geringeren Schaltverlusten. Durch die höhere Schaltfrequenz genügt für die TOPSwitch-Lösung ein kleinerer Transformatorkern, um die gleiche Flussdichte zu erzielen. Somit können Entwickler eine Lösung mit vergleichbarer Energie-effizienz schaffen, die mit der doppelten Schaltfrequenz arbeitet, erheblich weniger Platz beansprucht und beim Transformator − der teuersten Komponente in einem Schaltnetzteil − Kosten einspart. Die niedrigeren Schaltverluste schlagen sich in einer kompakteren und kostengünstigeren Lösung nieder.
Über den Autor:
Andrew Smith ist Engineering Training Manager bei Power Integrations.
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