Höherer Wirkungsgrad mit neuen 20-V- und 30-V-MOSFETs Neue MOSFETs für grüne DC/DC-Wandler

Die Leistungs-MOSFETs sind in Schaltreglern für den größten Teil der Verlustleistung verantwortlich. Um den Wirkungsgrad der Spannungswandler zu steigern werden die MOSFETs selbst und ihr Gehäuse weiter optimiert.

Höherer Wirkungsgrad mit neuen 20-V- und 30-V-MOSFETs

Die Leistungs-MOSFETs sind in Schaltreglern für den größten Teil der Verlustleistung verantwortlich. Um den Wirkungsgrad der Spannungswandler zu steigern werden die MOSFETs selbst und ihr Gehäuse weiter optimiert.

Drei MOSFET-Familien, die für die Anforderungen in Gleichspannungswandlern optimiert wurden, bietet Infineon für unterschiedliche Gate-Ansteuerspannungen an:

  • Die Serie „OptiMOS3 30 V“ mit besonders niedrigem Einschaltwiderstand RDS(on) bei UGS = 10 V sowie kleinster Gate- (QG) und Gate-Drain-Ladung (QGD), die sich auch für eine Ansteuerung mit UGS = 4,5 V sehr gut eignet.
  • Die Serie „OptiMOS3 30 V M“ für 5-V-Gate-Ansteuerung.
  • Die Serie „OptiMOS2 20 V“ (Super Logic Level, SLL) für eine Ansteuerspannung ab 2,5 V.

Alle drei MOSFET-Familien bieten in ihrem Anwendungsbereich den derzeit niederohmigsten Einschaltwiderstand (RDS(on)) und bei gleichzeitig sehr niedriger Gate-Ladungs-Kennzahl (Gate-Charge Figure of Merit) FOMG = RDS(on) × QG).

Die Serie „Opti-MOS3 30 V“ ist für einen Betrieb mit Ansteuerspannungen (UGS) zwischen 5 V und 10 V optimiert und die vielseitigste der drei MOSFET-Familien. „Opti-MOS3 30 V M“ eignet sich besonders für Ansteuerspannungen zwischen 4 V und 5 V und bietet, im Vergleich zur Standardbauart (OptiMOS3 30 V), einen geringeren Einschaltwiderstand RDS(on) bei einer Ansteuerspannung (UGS) von 4,5 V. Die Modelle der Serie „OptiMOS2 20 V“ lassen sich dagegen schon mit Ansteuerspannungen ab 2,5 V betreiben.

Verlustleistung beim Schalten

Der am häufigsten angewendete DC/DC-Wandlertyp ist der Abwärtswandler. Sein Wirkungsgrad hängt stark von den Anforderungen ab. Bei moderatem Herabsetzen der Spannung und geringen Anforderungen an die Regeldynamik kann mit niedriger Taktfrequenz gearbeitet werden. Der Wirkungsgrad wird in diesem Fall maßgeblich durch die Leitendverluste der MOSFETs bestimmt. Ist eine hohe Stabilität der Ausgangsspannung bei schnellen Lastwechseln gefordert, wie es häufig bei Stromversorgungen für CPUs oder DSPs der Fall ist, wird eine entsprechend hohe Taktfrequenz des Gleichspannungswandlers nötig. Unter diesen Umständen nimmt die Bedeutung der Schaltverluste zu.

Die Gesamtverlustleistung eines Gleichspannungswandlers während eines Schaltvorgangs setzt sich zusammen aus den Ansteuerverlusten, den Verlusten aus der Ausgangskapazität des Leistungs-FETs, den An- und Abschaltverlusten des Leistungs-FETs und den Abschaltverlusten des Gleichrichter-FETs. Die Einschaltverluste des Gleichrichter-FETs können vernachlässigt werden, da es sich um spannungsfreies Einschalten handelt. Unabhängig von der umgebenden Schaltung sind die Ansteuerverluste.

Die minimale Summe aus Ansteuerverlusten und Leitendverlusten lässt sich näherungsweise unter der Bedingung

RDS(on) × TV = (UGS × fT × FOMG)1/2 / I

erreichen, wobei UGS die verwendete Ansteuerspannung ist, fT die Taktfrequenz, FOMG bezieht sich auf die verwendete UGS, und TV ist das Tastverhältnis (Bild 1). Die extrem niedrige FOMG von MOSFETs der Familie OptiMOS ermöglicht nicht nur die Verwendung besonders niederohmiger Transistoren, sondern auch einen besseren Wirkungsgrad im gesamten Lastbereich.