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Powermanagement-ICs

Effizienter Lückenfüller aus Hannover

12. November 2020, 15:00 Uhr   |  Christoph Rindfleisch, Prof. Dr.-Ing. Bernhard Wicht

Effizienter Lückenfüller aus Hannover
© nuzza11 | AdobeStock

Zwischen Energy-Harvesting-Stromversorgungen und netzversorgten Wandlermodulen klafft eine Lücke im Leistungsspektrum. Dabei ist dieser Bereich mit netzversorgten IoT- und Smart-Home-Systemen sowie der Steuerelektronik in Elektroautos durchaus attraktiv. Jetzt kommt eine Lösung.

Hohe Spannungen von mehr als 200 V auf unter 5 V auf Chipebene zu wandeln, wird immer attraktiver. Zu den Anwendungen gehören dezentralisierte netzversorgte IoT- und Smart-Home-Systeme sowie die Steuerelektronik in Elektroautos mit Zwischenkreisspannungen im Bereich von 400 V. Während Energy Harvesting auf Leistungen unter 1 mW beschränkt ist, stellen sowohl das Netz als auch Hochspannungsbatterien viel höhere Leistungen bereit, die beispielsweise in Gebäuden leicht verfügbar sind. Üblicherweise kommen für solche Anwendungen jedoch relativ teure und große Wandlermodule [1-5] zum Einsatz, deren Wirkungsgrad unterhalb von 500 mW niedrig ist. Diese eignen sich daher nicht gut, um Mikrocontroller, Sensoren usw. zu versorgen. Im Folgenden stellen wir einen Wandler-IC [6] vor, der diese Leistungslücke zwischen Energy Harvesting und Wandlermodulen schließt (Bild 1) und Eingangsspannungen zwischen 100 V und 325 V kompakt in niedrige Ausgangsspannungen von 3,3 V bis 10 V wandelt. Dabei liegt der Gesamtwirkungsgrad um 80 Prozent.

Rindfleisch, Leibniz Universität Hannover, ISSCC, DC-DC converter, power electronics
© C. Rindfleisch, Leibniz Universität Hannover

Bild 1: Vorgestellte resonante Hochspannungstopologie.

Üblicherweise sind Wandlermodule als Sperrwandler mit externen Leistungsschaltern und einem großen Transformator mit bis zu mehreren Millihenry implementiert. Schnell schaltende 3-Level-Abwärtswandler wie in [7] reduzieren die Größe der Induktivität, aber der erforderliche Wert des fliegenden Kondensators ist groß und besonders bei höheren Spannungen schwer zu integrieren. Außerdem ist ihr Wirkungsgrad bei geringer Last niedrig und ihre Regelung komplex.

Aufbau und Arbeitsweise des Wandlers

Um eine effiziente und kompakte Wandlung bei hohen Spannungen mit nur einer Wandlerstufe zu realisieren, nutzen wir hier eine zeitlich selbstgesteuerte resonante DC-DC-Wandlertopologie (Bild 1) mit stromlosem Schalten (Zero Current Switching, ZCS) und spannungsfreiem Schalten (Zero Voltage Switching, ZVS). Der Wirkungsgrad dieser Topologie ist für Anwendungen optimiert, die weniger als 500 mW erfordern. Er besteht aus einer vollständig integrierten Leistungsstufe mit zwei Hochspannungstransistoren (HV1, HV2; Nennspannung Vin + Vout), drei Hochspannungsdioden (D1HV, D2HV, D3HV; Nennspannung Vin + Vout) und zwei Niederspannungstransistoren (LV1, LV2; Nennspannung Vout). Aufgrund des zeitlich selbstgesteuerten resonanten Betriebs, der mit einem auf dem Chip integrierten Hochspannungskondensator Cres realisiert wird, ist nur eine kleine externe Induktivität Lres erforderlich.

Dieser resonante invertierende Abwärtswandler (Bild 1) arbeitet in zwei Phasen (Bild 2). Zu Beginn jeder Phase werden alle Leistungsschalter abgeschaltet. Während Phase 1, initialisiert durch Einschalten von LV1, bleiben HV2 und LV2 ausgeschaltet. Um LV1 spannungslos einzuschalten, wird HV1 erst kurze Zeit nach LV1 eingeschaltet. Dies führt zu dem Ersatzschaltbild, das in der linken Hälfte von Bild 2 gezeigt wird. Nach dem stromlosen Einschalten von HV1 steigt die Spannung über der externen Spule (VL,res) zunächst bis auf Vin an, wodurch der Spulenstrom IL,res aufgrund des Resonanzverhaltens sinusförmig ansteigt. Infolgedessen steigt auch die Spannung am Kondensator (VC,res, anfangs Vout) an. Während dieser Zeit verhindert D2HV einen Stromfluss durch LV2 zur Masse. Sobald VC,res eine Spannung in Höhe von Vin–Vout erreicht, ist VL,res auf Vout abgesunken.

Der Spulenstrom IL,res kommutiert dann auf D3HV sowie auf den Ausgangskondensator Cout und überträgt die in Lres gespeicherte Energie an Cout. Während dieser Freilaufphase ist LV2 erforderlich, um zu verhindern, dass IL,res auf D1HV und D2HV kommutiert. HV1 und LV1 schalten jeweils im stromlosen Zustand in der Zeitspanne zwischen der Kommutierung von IL,res nach Cout und vor Beginn der zweiten Phase ab (Bild 2). Durch dieses große Ausschaltzeitfenster und die zeitverzögerte Einschaltsequenz zwischen LV1 und HV1 vereinfacht sich die Ansteuerung der Schalter im Vergleich zu anderen Topologien erheblich.

Rindfleisch, Leibniz Universität Hannover, ISSCC, DC-DC converter, power electronics
© C. Rindfleisch, Leibniz Universität Hannover

Bild 2: Das zweiphasige Arbeitsprinzip des Wandlers mit stromlosem Schalten (Zero Current Switching, ZCS) und spannungsfreiem Schalten (Zero Voltage Switching, ZVS) und selbstgesteuertem Tastverhältnis.

In Phase 2 bleiben HV1 und LV1 ausgeschaltet und LV2 wird eingeschaltet, bevor HV2 aktiviert wird (Ersatzschaltung in Bild 2 rechts). In dieser Phase wird zunächst die in Cres gespeicherte Energie zur Induktivität Lres übertragen und später dann von der Induktivität zu Cout, ähnlich wie in Phase 1. Der Vorteil dieser Topologie besteht darin, dass die in Cres gespeicherte Energie erhalten bleibt und zur Ausgangsleistung beiträgt. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad um bis zu einem Faktor von zwei.

Der Kondensator Cres bewirkt, dass sich das Tastverhältnis selbstständig einstellt und die pro Zyklus auf den Ausgang übertragene Energie automatisch begrenzt wird. Die übertragene Energie (proportional zu Qout, Bild 2) ist für jede Phase konstant und hängt nur von den Werten von Cres und Vin ab. Somit skaliert die Ausgangsleistung mit der Schaltfrequenz fsw und analog dazu die Verluste des Wandlers. Während die maximale Ausgangsleistung bei einer Schaltfrequenz von etwa 1MHz liegt, bleibt der Wirkungsgrad des Wandlers bis in den Niederlastbereich hoch, wo fsw etwa 10 kHz erreicht. Cres definiert auch die in jeder Phase an Lres übertragene Energie, sodass der erforderliche Induktivitätswert anhand des maximal zulässigen Spitzenstroms ermittelt werden kann. Je kleiner Cres, desto kleiner auch Lres (20 pF bzw. 10 µH). Die Hochspannungsbauelemente HV1, HV2, D1HV und D2HV benötigen nur wenig Chipfläche, da ihr Durchlasswiderstand in der Größenordnung von 10 Ω liegen kann.

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2. Ansteuerung der Transistoren

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