So erzielen Sie den maximalen Wirkungsgrad bei Gleichspannungswandlern

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Neue Abwärtsregler-Topologie für effiziente Implementierung

Eine besonders effiziente Implementierung der ZVS wird durch eine neue Abwärtsregler-Topologie möglich, die Vicor für ihre Reglermodule der Serie Cool-Power ZVS entwickelt hat (siehe Bild 4). Die ZVS-Technik verringert die Schaltverluste im eingeschalteten Zustand und die Gate-Treiber-Verluste. Außerdem entfällt die Leitung zwischen FET-Substrat und Diode.

Die ZVS-Abwärtsregler-Topologie von Vicor ist im Grunde dieselbe wie bei einem herkömmlichen synchronen Abwärtsregler, aber mit einem zusätzlichen Schalter zur Klemmung über der Ausgangsdrossel (siehe Bild 5): die in der Ausgangsdrossel gespeicherte Energie wird so geregelt, dass der Schaltvorgang im nominalen Nulldurchgang der Spannung erfolgt.

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Der Leistungs-MOSFET auf der Hochspannungsseite in den Vicor PI35xx schaltet immer beim Nulldurchgang des Stroms und bei einer Drain-Source-Spannung von nahezu Null Volt durch. Es treten weiterhin Verluste und Abwärme durch Leiterverluste auf, aber die Schaltverluste werden dadurch reduziert, dass die Einschaltverluste dank des ZVS-Betriebs fast völlig eliminiert werden.

Durch die zusätzliche Klemmphase tritt beim MOSFET auf der Niederspannungsseite keine Leitung zwischen Substrat und Diode auf. Außerdem entfällt der hohe Reverse-Recovery-Strom vor dem Durchschalten des MOSFET auf der Hochspannungsseite – ein Merkmal konventioneller synchroner Abwärtsregler – bei diesen Komponenten von Vicor. Die einzelnen Leistungs-MOSFETs erzeugen sehr viel weniger Verlustwärme. Dadurch werden keine teuren und sperrigen Kühlkörper benötigt. Das hilft, Größe und Gewicht des Systems sowie die Materialkosten zu reduzieren. Der Wirkungsgrad liegt in der Spitze für alle Bauteile dieser Serie über 95%.

Fazit: Diese Lösung von Vicor wird als vollintegriertes SMD-Modul geliefert, wodurch es vom Entwickler in Systemen zur Spannungsversorgung leicht und einfach eingesetzt werden kann. Zusammen mit den neuen hocheffizienten Lösungen zur Wandlung von 400 V nach 48 V, wie mit dem Demo-Board STEVAL-ISA172V2 gezeigt, können die Systementwickler nun schneller und leichter als je zuvor eine zweistufige Wandlung von der gleichgerichteten Netzspannung zu einer PoL-Spannung realisieren.

Dieser Ansatz ermöglicht eine Verteilung mit hoher Spannung und niedrigem Strom im ganzen System. Das minimiert Verteilerverluste und stellt gleichzeitig eine Niederspannungsversorgung mit hohem Strom und Wirkungsgrad direkt aus einer Eingangsspannung von 48 V zur Verfügung. Dieser Ansatz ist besonders platzsparend und reduziert auch die Entwicklungszeit, da bei der Entwicklung der Spannungsversorgung eine gesamte Leistungsstufe entfallen kann.

Für eine Verteilung mit 48 VDC ist weniger Verkabelung erforderlich. Das spart Platz, Kosten, Gewicht und Leiterverluste, wobei die Leistungsverluste typischerweise um das 16fache verringert werden und die Kondensatoren nur ein Viertel des sonst benötigten Raums belegen.

Diese Kombination von Vorteilen legt nahe, dass eine Energieverteilung mit 48 V neben ihrem heutigen Hauptanwendungsbereich in Telekom- und Netzwerksystemen schon bald andere Marktbereiche wie Industrie und automotive Systeme erobern wird.

* Robert Gabrysiak ist Applikationsingenieur bei Future Electronics (Polen)

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