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Design-Überlegungen für ein Schaltnetzteil

Bei der Auswahl des besten MOSFET für ein Schaltnetzteil-Design sind viele auch subtile Aspekte zu berücksichtigen. Die gängige Meinung ist, dass die Auswahl des kleinsten R_DS(on) das Netzteil mit dem höchsten Wirkungsgrad ergibt. Allerdings kann hinsichtlich des Wirkungsgrads eines Netzteils unter die Betrachtung nur einer Betriebsbedingung zu falschen Schlüssen führen.

Um ein klares Verständnis der Leistung eines Netzteils über den gesamten Betriebsbereich zu erhalten, sollte die Schwankung des Wirkungsgrades über den erwarteten Bereich der Ausgangslast (W) und Eingangsspannung (V) berücksichtigt werden. Der in Bild 3 zu sehende Spitzen-Wirkungsgrad kann bei der Auswahl eines für Ihr Design und für Ihren Betriebsbereich „optimalen“ MOSFET hilfreich sein. Dies bedeutet, dass der Spitzen-Wirkungsgrad dort auftreten sollte, wo das Netzteil mehr als 90% seiner Betriebszeit verbringt.

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Die Sache mit dem R_DS(on) und dem Wirkungsgrad

Bild 4 ist eine qualitative Darstellung des Verhaltens der drei Verlustarten über den Lastbereich. Hier werden die Verluste einzeln für sich und nicht als Ganzes beschrieben. Wenn diese Verluste kombiniert (aufsummiert) werden, ist das Ergebnis weitaus informativer. Dieses Beispiel zeigt, was passieren kann, wenn der Entwickler den MOSFET mit dem niedrigsten R_DS(on) aus einer Familie von Hochspannungs-MOSFETs auswählt. Das Ergebnis ist ein insgesamt geringerer Wirkungsgrad im Vergleich zur Auswahl eines Bauelements mit einem höheren R_DS(on) (kleinere Chipfläche).

(Anmerkung: Natürlich unterliegen die Ergebnisse einer Vielzahl von MOSFET-Parametern und Betriebsbedingungen und sind daher vielfältig. Hier ist nur das schlechtmöglichste Ergebnis einer falschen Design-Entscheidung dargestellt.)

Die Auswahl des MOSFET mit dem niedrigsten verfügbaren R_DS(on) erhöht die Werte für C_iss und C_rss, was wiederum einen höheren Gate-Treiber-Spitzenstrom erfordert. Da der Gate-Treiber diesen Spitzenstrom nicht kurzfristig liefern kann, schaltet der MOSFET langsamer (längere tsw und geringere dV/dt). Dies führt zu einer drastischen Vergrößerung der hier signifikanten Drain-Source-Schaltverluste und Gate-Treiberverluste. Der Gate-Treiber erfährt größere Verluste aufgrund der Amplitude des Gate-Spitzenstroms und der längeren erforderlichen Zeit für das Umschalten des MOSFET.

Die resultierenden Treiber- und Drain-Source-Schaltverluste können den Wirkungsgrad bei kleineren Lasten beachtlich schlechter machen und verschieben zudem rechnerisch die Gesamtwirkungsgradkurve um den Betrag dieser Verluste nach unten. Dies verschlechtert den Gesamtwirkungsgrad, insbesondere bei kleineren Lasten, und verschiebt den Spitzen-Wirkungsgrad hin zu größeren Lasten. Der gefühlte Vorteil eines kleineren R_DS(on) ist im Grunde tatsächlich eine Verringerung der Leitungsverluste; der Gesamteffekt ist jedoch eher marginal.

Diese Leistungsverluste sind im Wesentlichen für die Krümmung der Wirkungsgradkennlinie verantwortlich. Die Krümmung wird für kleinere R_DS(on) geringer. Die Erhöhung des Wirkungsgrades aufgrund einer verringerten R_DS(on) ist jedoch rein rechnerischer Natur, denn die Leitungsverluste werden immer noch überwiegend vom Quadrat des Drain-Stroms dominiert. Im Fall von Bild 5 war der Einfluss der höheren Schalt- und Treiberverluste größer als die Verbesserung durch den erhöhten Wirkungsgrad und die Krümmung. Dies ist ein durchaus mögliches Ergebnis.

Der Teufel steckt wieder einmal im Detail

Bild 5 verdeutlicht, wie sich der Wirkungsgrad eines Netzteils im Fall einer Eingangsquelle mit niedriger Impedanz mit der Eingangsspannung ändert. Bei einer Eingangsquelle mit höherer Impedanz, beispielsweise mit einem Leistungsfaktor-Vorregler, würde sich die Wirkungsgradkurve ganz anders darstellen. Wer, wie in den meisten Fällen, nicht das ganz große Verständnis die physikalischen Einflussfaktoren eines MOSFET aufbringt, entscheidet sich einmal und akzeptiert dann das Ergebnis. Für den informierten Techniker jedoch ist dies nur nach einer gründlichen Analyse des MOSFET-Verhaltens akzeptabel.

Fazit: Bei der Auswahl des besten MOSFET für eine Schaltnetzteilkonstruktion sind viele tückische Aspekte zu berücksichtigen. Ein grundlegendes Verständnis des MOSFET-Aufbaus und der Auswirkungen der voneinander abhängigen Parameter auf die Leistung des Netzteils ermöglichen die Erkenntnis, warum die Migration von Standard-Planar-MOSFETs zu Superjunction-MOSFETs unumgänglich ist.

* Marty Brown Senior Consultant, D3 Semiconductor, Addison (nahe Dallas), Texas.

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