DC/DC-Wandler Schalten bei Nullspannung revolutioniert Abwärtswandler

Autor / Redakteur: Robert Gendron * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Wenn eine Busspannung von z.B. 48 V auf wenige Volt heruntergesetzt werden soll, sind mit herkömmlichen Wandlern mehrere Stufen nötig – oder eine neue Buck-Technologie auf Basis des Zero Voltage Switching.

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Die DC-DC-Wandler-Familie PI33XX: Das SiP-Gehäuse enthält die ZVS-Topologie und die Controller-Architektur, sodass für den Aufbau eines kompletten Wandlers nur noch eine Ausgangsdrossel sowie einige wenige Keramikkondensatoren benötigt werden.
Die DC-DC-Wandler-Familie PI33XX: Das SiP-Gehäuse enthält die ZVS-Topologie und die Controller-Architektur, sodass für den Aufbau eines kompletten Wandlers nur noch eine Ausgangsdrossel sowie einige wenige Keramikkondensatoren benötigt werden.
(Bild: Vicor)

In typischen POL-Applikationen (Point-of-Load) wird aus einer Zwischenkreisspannung von 12 V oder niedriger eine geregelte Versorgungsspannung von einigen wenigen Volt, immer häufiger auch unter einem Volt erzeugt. Für Verbraucher mit hohem Strombedarf wie Prozessoren oder FPGAs hätten Systementwickler gerne eine stabile und geregelte Versorgung, die direkt aus der Busspannung von typischerweise 48 V erzeugt wird. Mit konventionellen Wandlern ist dies nicht möglich, da der hohe Übersetzungsfaktor zu einem sprunghaften Anstieg der Verluste führt. Eine zwei- oder mehrstufige Wandlerkette war daher bislang die übliche Lösung.

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Diese erhöhten Verluste bei einem großen Verhältnis zwischen Ein- und Ausgangsspannung stammen hauptsächlich vom harten Schalten der MOSFETs bei hohen Strömen und Spannungen. Eine neue Buck-Technologie auf Basis des Zero Voltage Switching (ZVS) reduziert die Verluste in mehrerer Hinsicht. Es werden nicht nur die Verluste beim Schalten, sondern auch die bei der Gate-Ansteuerung reduziert und es entfallen die Leitungsverluste in der FET-Body-Diode.

Verluste in konventionellen Wandlern haben verschiedene Ursachen

Diese niPOL (non-isolated POL-Regler) profitierten von Verbesserungen in der Gehäusetechnologie, der Siliziumintegration und der MOSFET-Technologie. Während bestehende Lösungen sehr gut über einen engen Eingangsspannungsbereich arbeiten, sinken Wirkungsgrad und maximale Leistung normalerweise etwas bei einem Übersetzungsverhältnis von 10:1 oder 12:1. Durch die systembedingten Verluste hart geschalteter Regler sinken diese beiden Werte dramatisch bei einem weiten Eingangsspannungsbereich und Übersetzungsverhältnissen von bis zu 36:1. Die Verluste in konventionellen Wandlern werden von verschiedenen Quellen verursacht. Hauptfaktoren sind jedoch hartes Schalten, Leitungsverluste der Body-Diode und die Gate-Ansteuerung, wie sie hier beschrieben werden.

Schalten bei hohem Stromfluss und hoher Spannung

Hoher Stromfluss zeitgleich mit dem Anliegen einer hohen Spannung: eine Situation, die während des Einschaltens auftritt und Verluste bewirkt, die proportional zu Taktfrequenz und Spannung sind. Verbesserungen in der MOSFET-Technologie sowie in Sachen Schaltgeschwindigkeit reduzieren den Zeitraum, in dem Strom und Spannung gleichzeitig anliegen. Dies bewirkt jedoch andere Probleme. Das harte Schalten erzeugt üblicherweise Spitzen, Oszillationen und erhöhte elektromagnetische Interferenzen. Dieser Ansatz verliert an Attraktivität bei einem breiteren Eingangsspannungsbereich und den damit verbundenen höheren Spannungen oder Frequenzen.

Die Verluste in der Body-Diode des Synchronschalters treten auf, da es normalerweise zu einem Stromfluss kommt, wenn der Synchron-MOSFET ausschaltet bevor der obere Schalter einschaltet. Dies bedeutet, dass die während des Stromflusses gespeicherte Energie ausgeräumt werden muss (Reverse Recovery), bevor die Diode eine rückwärts gerichtete Spannung wieder sperren kann. Dies bedingt ebenfalls zur Taktfrequenz proportionale Verluste.

Jeder Wechsel des MOSFET-Zustandes benötigt auch von der Gate-Ansteuerung eine Leistung, die für jede Zustandsänderung identisch ist. Das bedeutet auch hier: direkt von der Taktfrequenz abhängige Verluste.

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