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Netzteile bei geringer Last

Fünf Praxis-Tipps für niedrigere Verluste

6. Dezember 2010, 13:50 Uhr | Von Brian King

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Tipp 3: Keine Angst vor Überschwingern

Snubber- und Klemmschaltungen an den primärseitigen MOSFETs sind ein weiterer wichtiger Bereich, in dem sich Energieeinsparungen realisieren lassen. Die weithin gebräuchliche RCD-Klemmschaltung in Bild 3 soll Überschwinger reduzieren und eine Überspannungsbeanspruchung verhindern, indem die Spannungsspitze am Drain-Anschluss des MOSFET begrenzt wird.

Diese Spannungsspitze rührt daher, dass in der Streuinduktivität des Transformators Energie gespeichert wird, wenn der MOSFET abschaltet und den Stromfluss in der Primärwicklung abrupt unterbricht.

Der erste Schritt zur Reduzierung von Spannungsspitzen und Verlusten in der Klemmschaltung ist ein Transformator mit minimaler Streuinduktivität. Darüber hinaus kann der Klemmwiderstand entsprechend erhöht und so der Verlust weiter begrenzt werden. Allerdings erhöht sich dabei auch die Stärke der Spannungsspitze.

Während der Rücksetzphase des Schaltzyklus wird die reflektierte Ausgangsspannung am Klemmwiderstand angelegt, was zusätzliche Verluste nach sich zieht. Verwendet man einen für höhere Spannungen (z.B. 800 V statt 600 V) ausgelegten MOSFET, schafft man eine größere Reserve für Spannungsspitzen, so dass ein deutlich größerer Widerstand verwendet werden kann. Allerdings bedeutet eine höhere Betriebsspannung auch höhere Kosten für den MOSFET oder einen größeren On-Widerstand, wodurch der Wirkungsgrad bei größeren Lasten beeinträchtigt wird.

Häufig wird es hier auf einen Kompromiss zwischen günstigem Preis und dem Wirkungsgrad bei geringen Lasten sowie dem Wirkungsgrad im Nennlastbetrieb hinauslaufen. Bei manchen Stromversorgungen, die für 10 W oder weniger ausgelegt sind, kann man ganz auf die Klemmschaltung verzichten und erhält dadurch noch beträchtlichere Energieeinsparungen. Allerdings beschränken die EMI-Anforderungen, wie viel Überschwingen am Drain-Anschluss erlaubt werden darf.

Vielleicht nicht ganz so naheliegend ist der Umstand, dass sich durch eine Verringerung des Klemmwiderstands auch die Verluste bei geringer Last reduzieren lassen. Arbeitet der Controller im Burst-Modus, wird die Klemmschaltung zwischen den Ein-Zuständen entladen. Ist der Klemmkondensator zu groß dimensioniert, wird im Aus-Zustand überschüssige Energie gespeichert und als Verlustleistung abgegeben. In manchen Fällen entlädt sich der Klemmkondensator möglicherweise vor Beginn der nächsten Ein-Phase nicht komplett.

Eine gute Faustregel zur Verringerung solcher Verluste ist es, als Zeitkonstante des RC-Netzwerks etwa das Zehnfache der Schaltperiodendauer einzustellen. Eine weitere Technik besteht darin, die RCD-Klemmschaltung durch eine Z-Diode zu ersetzen. Mit einer Z-Diode lässt sich der Verlust in der Klemmschaltung bei geringen Lasten reduzieren. Bei größeren Lasten hingegen kann es mit einer Z-Diode zu einer deutlich höheren Verlustleistung kommen als mit einer RCD-Schaltung.