Synchrongleichrichter verbessern den Wirkungsgrad von Stromversorgungen - wenn sie effektiv gesteuert werden

Es ist kein Geheimnis, dass moderne elektronische Geräte mit schnelleren Prozessoren, mehr Speicher und größerer Bandbreite mehr Strom benötigen. Gleichzeitig drängt die Marktnachfrage nach kleineren Stromversorgungen. Die Bereitstellung höherer Leistungen in kleineren Gehäusen erfordert eine Steigerung der Leistungseffizienz. Diese Steigerung des Wirkungsgrads erfordert eine Verringerung der Stromversorgungsverluste, was ein Überdenken des grundlegenden Designs erforderlich macht.

Werfen wir einen Blick darauf, wo Verluste auftreten und was wir dagegen tun können. Als Beispiel wird eine Stromversorgung mit Sperrwandler verwendet (Abbildung 1). Der Sperrwandler schaltet einen Feldeffekttransistor (FET) ein und aus.

Abbildung 1: Eine einfache Stromversorgung mit Sperrwandler schaltet einen FET ein und aus. Dargestellt sind die zugehörigen Strom- und Spannungswellenformen. (Bildquelle: Texas Instruments)

Während der Zeit, in der der FET eingeschaltet ist, fließt der Strom (I_P) in der Primärseite der gekoppelten Induktivität. Dadurch wird das Magnetfeld in der Spule aufgebaut. Wenn der FET ausgeschaltet wird, fließt der Sekundärstrom (I_O) aufgrund des kollabierenden Feldes in der Spule (Induktivität) sekundärseitig durch die Diode zum Ausgangsfilter und zur Last. Zu den Verlusten gehören die Verluste in der gekoppelten Induktivität, die dynamischen Schalt- und Leitungsverluste im FET und in der Ausgangsdiode sowie die Leistungsverluste in der Klemmschaltung. Alle diese Verluste sollten evaluiert werden, aber in diesem Beitrag konzentrieren wir uns auf die Leitungsverluste in der Ausgangsdiode.

Wenn die Ausgangsdiode leitet, weist sie einen Durchlassspannungsabfall (V_F) auf, der mit der Stromstärke und der Temperatur variiert (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der Durchlassspannungsabfall einer typischen Schottky-Diode variiert mit der Temperatur und dem Strom. (Bildquelle: Diodes Incorporated)

Der Durchlassspannungsabfall in dieser Diode steigt mit zunehmendem Strom und sinkt mit steigender Temperatur. Bei einem Durchlassstrom von 10 Ampere (A) bei 25 °C beträgt der Durchlassspannungsabfall etwa 420 Millivolt (mV), was bedeutet, dass die Diode 4,2 Watt verbraucht. Eine Möglichkeit, diesen Verlust zu umgehen, besteht darin, die Diode durch einen FET zu ersetzen, der zu geeigneten Zeiten während des Schaltzyklus des Netzteils eingeschaltet wird. Es handelt sich um einen Synchrongleichrichter (SR), der manchmal auch als aktiver Gleichrichter bezeichnet wird. Wenn der FET eingeschaltet ist, ist seine Durchlassimpedanz in erster Linie der Widerstand (R_DS(ON)) des FET-Kanals. Der CSD18532KCS von Texas Instruments ist ein N-Kanal-FET mit einem R_DS(ON) von etwa 5 Milliohm (mΩ). Vergleicht man diesen FET mit der Diode, so werden die Vorteile des Synchrongleichrichter-Ansatzes deutlich (Abbildung 3).

Abbildung 3: Vergleich der Durchlassspannungsabfälle des CSD18532KCS mit einer Schottky-Diode. Die Ersatzschaltbilder verdeutlichen die Unterschiede. (Bildquelle: Texas Instruments)

Der Durchlassspannungsabfall für den FET bei 25°C beträgt nur etwa 60 mV bei 10 A Durchlassstrom, verglichen mit 420 mV für die Diode. Die Verlustleistung beträgt 0,6 Watt im Vergleich zu 4,2 Watt bei der Diode, was eine erhebliche Verringerung der Verlustleistung und eine Verbesserung des Wirkungsgrads der Stromversorgung bedeutet.

Texas Instruments hat einen Vergleich mit dem Evaluierungsboard UCC28740EVM-525 von Texas Instruments mit isoliertem 10-Watt-Ausgang durchgeführt. Bei diesem Evaluierungsmodul handelt es sich um ein 10-Watt-Offline-Leistungsmodul, das eine Konstantspannungs- und Konstantstrom-Ausgangsregelung bietet. Er basiert auf einem diskontinuierlich arbeitenden Sperrwandler (DCM). In dem Test wurden der Vorwärtsspannungsabfall und der Strom mit Supersperrgleichrichtern und mit Synchrongleichrichtern unter Verwendung eines n-Kanal-MOSFETs CSD19531Q5A von Texas Instruments gemessen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Vergleich der Vorwärtsspannungsabfälle und Ströme in derselben Stromversorgung mit Dioden und MOSFET-Synchrongleichrichtung. (Bildquelle: Texas Instruments)

Der Unterschied zwischen den Vorwärtsspannungsabfällen in den Gleichrichtern ist leicht zu erkennen. Die Durchlassspannung des Diodengleichrichters beträgt einen guten Bruchteil eines Volt, während der des Synchrongleichrichters viel kleiner ist. Die kleinen Rechteckimpulse zu Beginn und am Ende der Leitungsphase des Synchrongleichrichters sind auf die Leitung der Substratdiode im FET zurückzuführen. Diese Impulse erhöhen zwar die Leitungsverluste, haben aber aufgrund ihrer kurzen Dauer nur geringe Auswirkungen auf den Wirkungsgrad der Stromversorgung.

Der Wirkungsgrad der Stromversorgung über einen Bereich von Lastströmen zeigt den Vorteil des Synchrongleichrichters gegenüber herkömmlichen Diodengleichrichtern (Abbildung 5).

Abbildung 5: Ein Vergleich des Wirkungsgrads der Stromversorgung über eine Reihe von Lastströmen und Quellenspannungen zeigt eine Verbesserung des Wirkungsgrads um 2 % bis 3 %. (Bildquelle: Texas Instruments)

Der Wirkungsgrad der Synchrongleichrichtung ist über einen weiten Bereich von Lastströmen 2 % bis 3 % höher als der des Diodengleichrichters. Die erhöhte Komplexität der Implementierung eines Synchrongleichrichters kann die Kosten durchaus wert sein.

Implementierung der Synchrongleichrichtung

Der Nachteil der Synchrongleichrichtung ist die Notwendigkeit, den FET synchron mit den Schaltvorgängen der Stromversorgung zu betreiben. Für die Steuerung von FETs, die für die Synchrongleichrichtung verwendet werden, gibt es grundsätzlich zwei Ansätze. Der erste Ansatz ist die Eigensteuerung. Bei dieser Methode wird die Synchrongleichrichtung über die Sekundärspannung der gekoppelten Spule entweder direkt oder über eine separate Wicklung gesteuert. Aufgrund seiner Einfachheit und der geringen Anzahl an Komponenten ist dieser Ansatz sehr attraktiv. Diese Technik funktioniert jedoch nicht bei allen Schaltungstopologien und ist abhängig vom Rücksetzvorgang in der gekoppelten Spule.

Bei der zweiten Methode handelt es sich um einen gesteuerten Ansatz, bei dem der Synchrongleichrichter von den Gate-Treibersignalen des Hauptschalters unter Verwendung eines Synchrongleichrichter-Controllers, wie z. B. dem UCC24612-1DBVR von Texas Instruments, gesteuert wird. Dieser Baustein arbeitet mit einer Vielzahl von Sperrwandler-Topologien, wie z. B. Topologien mit aktiver Klemmung, quasiresonanter (QR) Topologien, Topologien mit diskontinuierlicher Leitung (DCM) oder Dauerleitungsbetrieb (CCM) und Topologien mit LLC-Resonanz-Sperrwandler. Er nutzt die V_DS-Spannungsmessung zur Einstellung des MOSFET-Leitungsintervalls, um den Leitungsverlust zu minimieren. Der UCC24612-1DBVR arbeitet mit Sperrwandler-Controllern, um mehr Steuerungsfunktionen und andere effizienzsteigernde Operationen zu implementieren, wie z. B. aktive Klemmung und spannungsloses Schalten.

Fazit

Synchrongleichrichter sind Teil einer Reihe von Techniken zur Verbesserung des Wirkungsgrads, die durch leicht verfügbare Hardware-Bausteine wie den UCC24612-1DBVR unterstützt werden und einfache und kosteneffiziente Designs ermöglichen, um den Bedarf an höheren Leistungsdichten zu decken.