Verlustmechanismen im 48-V-Abwärtswandler GaN-Technik: Stellschrauben für mehr Wirkungsgrad

Kühlung, Schaltfrequenz, Bias-Versorgung und Induktivität beeinflussen den Wirkungsgrad eines Abwärtswandlers je nach Last unterschiedlich. Ein Referenzdesign mit GaN-Technik zeigt, welche Verlustmechanismen bei 48 V Eingangsspannung dominieren.

Abwärtswandler mit 48 V Eingangsspannung und einer Ausgangsspannung von 5 V gewinnen in Industrie- und Automotive-Anwendungen zunehmend an Verbreitung. Schwerpunkte dabei sind Fahrassistenz- und Bordinfotainment-Systemen sowie die Robotik. Synchrone Abwärtswandler-Topologien können hohe Wirkungsgrade erzielen, bleiben aber hinsichtlich der Leistungsfähigkeit oftmals hinter den Erwartungen zurück. In einigen Fällen können das Schaltverhalten, das Erzeugen der Reglervorspannung, die Leistung und die thermischen Eigenschaften zu limitierenden Verlusten führen, die den Wirkungsgrad beeinträchtigen.

In Bild 1 ist die Wirkungsgradkurve des Referenzdesigns PMP23680 von Texas Instruments zu sehen, bei dem es sich um einen vierphasigen Abwärtswandler mit 48 V Eingangsspannung, einer Leistung von 400 W und integrierter GaN-Technik handelt. Die Ausgangsspannung ist per FPWM (Forced Pulse-Width Modulation) auf 5 V eingestellt, und es erfolgt keine Kühlung.

Die in Bild 1 dargestellte Wirkungsgradkurve erfüllt vielleicht die Spezifikationen der meisten 48-V-auf-5-V-Stromversorgungen, auch wenn sie das gesteckte Ziel in bestimmten Fällen nicht ganz erreicht. Als Abhilfe könnte man die Topologie ändern oder auf eine komplexere Schaltung ausweichen. Stattdessen aber lassen sich auch an einem herkömmlichen Abwärtswandler einige praxisgerechte Anpassungen vornehmen, die die Effizienz steigern.

In Bild 2 sind Wirkungsgradkurven des 48-V-auf-5-V-Abwärtswandlers in verschiedenen Testkonfigurationen zu sehen. Unter anderem wurden Entwärmungsmaßnahmen vorgenommen, die Schaltfrequenz angepasst und eine externe Bias-Quelle hinzugefügt. Diese Konfigurationen wurden gewählt, um die Auswirkungen der einzelnen Anpassungen herauszuarbeiten und zu zeigen, dass abhängig vom jeweiligen Arbeitspunkt unterschiedliche Verlustmechanismen dominieren. Auf die einzelnen Anpassungen wird nachfolgend genauer eingegangen.

Anpassung 1: Entwärmung

Das Hinzufügen eines Kühlsystems (in diesem Fall eines Kühlkörpers) führte bei niedrigen Ausgangsströmen nur zu vernachlässigbar geringen Verbesserungen, während sich die Verhältnisse oberhalb von 30 A deutlich verbesserten.

Die Erklärung hierfür ist, dass die Gesamt-Verlustleistung bei geringen Ausgangsströmen ohnehin relativ klein ist, sodass sich der Baustein gegenüber der Umgebung nur wenig erwärmt. Das Herabsetzen des Wärmewiderstands hat hier deshalb nur einen geringen Effekt.

Die Leitungsverluste dagegen nehmen quadratisch mit dem Ausgangsstrom zu, sodass die Temperaturen des FET und der Induktivität entsprechend ansteigen. Der Drain-Source-Widerstand (R_DS(on)) des FET und der Kupferwiderstand der Induktivität werden außerdem mit zunehmender Temperatur größer, was die Leitungsverluste zusätzlich erhöht. Das Hinzufügen eines Kühlkörpers oder einer anderen Entwärmungsmaßnahme wirkt diesem Anstieg der Sperrschichttemperatur entgegen und senkt damit unmittelbar die temperaturabhängigen Widerstände. Ein weiteres Resultat ist eine messbare Senkung der Leitungsverluste, was sich durch einen höheren Wirkungsgrad bei hohen Strömen äußert. Tatsächlich betrug die Verbesserung bei einem hohen Ausgangsstrom (in diesem Fall 80 A) bis zu 0,8 %.

Anpassung 2: Schaltfrequenz

Ein Absenken der Schaltfrequenz von 400 kHz auf 250 kHz (wobei auf einen nach wie vor ausreichenden Induktivitätswert geachtet wurde) verbesserte den Wirkungsgrad bei mittelhohen Strömen um ca. 0,5 %, bei hohen Strömen sogar um 1 %. Eine übermäßige Verminderung der Schaltfrequenz unter Beibehaltung der vorhandenen Induktivität kann allerdings hohe Kernverluste erzeugen, wenn der Welligkeitsstrom nicht entsprechend berücksichtigt wird.

Ursächlich für dieses Verhalten ist ein Rückgang der Schaltverluste, zu denen die Ein- und Abschaltverluste des FET, Gatetreiber-Verluste und interne Schaltverluste des Reglers gehören. Bei 48 V Eingangsspannung werden diese Verluste sehr stark vom Strom und der Schaltfrequenz beeinflusst.

Weniger ausgeprägte Effizienzsteigerungen ergibt das Reduzieren der Schaltfrequenz bei geringer Last. Dies lässt darauf schließen, dass konstante Verluste wie etwa der Ruhestrom oder Spulenkernverluste in diesem Bereich dominieren, was den Einfluss dieser Anpassung auf die Gesamtverluste begrenzt.

Anpassung 3: Biasquelle des Reglers

Bei erzwungener Pulsweitenmodulation verbessert die Versorgung des Reglers aus einer externen 5-V-Quelle den Wirkungsgrad bei niedrigen bis mittleren Strömen um etwa 0,5 %.

Der Bezug der Vorspannung aus V_OUT ist ebenfalls ein gangbarer Weg, wenn die Ausgangsspannung nicht wesentlich höher (z. B. 24 V oder mehr) oder niedriger (z. B. 3 V oder darunter) ist.

Leitet man die Bias-Versorgung intern vom Ausgang ab, wird die Ausgangsleistung des Wandlers zu einem kleinen Teil für den Betrieb des Reglers genutzt, was bei geringer Last einen größeren Anteil an der Gesamt-Ausgangsleistung ausmacht.

Bei höheren Ausgangsströmen beginnen die Leitungsverluste in den FETs und in der Induktivität zu dominieren. In diesem Bereich macht die Versorgung des Reglers einen so geringen Teil der Gesamtverluste aus, dass ihr Einfluss auf den Wirkungsgrad nicht mehr messbar ist. Die Wirkungsgradkurve für externe Bias-Versorgung konvergiert deshalb mit ansteigendem Ausgangsstrom mit der Kurve für interne Bias-Versorgung.

Anpassung 4: Optimierung der Induktivität

Die Induktivität kann größere Auswirkungen auf den Wirkungsgrad haben, als allein ihr Gleichstromwiderstand vermuten lassen würde. Während die Kupferverluste von diesem Widerstand abhängen und mit dem Ausgangsstrom ansteigen, werden die Kernverluste in hohem Maße vom Welligkeitsstrom und von der Schaltfrequenz bestimmt.

Bei einem hohen Welligkeitsstrom können die Kernverluste ein signifikantes Ausmaß erreichen. Dies gilt insbesondere für Eisenpulverkerne, die hohe Verluste erzeugen können, wenn der Welligkeitsstrom nicht berücksichtigt wird.

Ein Anheben des Induktivitätswerts verringert den Welligkeitsstrom und damit die Kernverluste, kann aber wiederum den DC-Widerstand erhöhen. Wird dagegen eine Induktivität mit sehr geringem Gleichstromwiderstand verwendet, während der Welligkeitsstrom übermäßig hoch ist, können die Kernverluste so weit ansteigen, dass die erzielte Wirkungsgradsteigerung wieder aufgezehrt wird. Bei der Wahl der Induktivität müssen also der DC-Widerstand und der Welligkeitsstrom so gegeneinander abgewogen werden, dass weder die Kupfer- noch die Kernverluste dominieren.

Wenn der Wirkungsgrad des Wandlers verbessert werden soll, sollte im ersten Schritt festgestellt werden, welcher Verlustmechanismus im interessierenden Bereich überwiegt. Im Fall des hier beschriebenen synchronen Abwärtswandlers ist dies ohne viel Zeitaufwand möglich:

• Ist der Wirkungsgrad bei geringer Last unzureichend, sollten die Schaltfrequenz und die Verluste durch die interne Bias-Quelle untersucht werden.

• Ist der Wirkungsgrad bei hohen Ausgangsströmen gering, sollten die Leitungsverluste und das Wärmemanagement im Fokus stehen.

• Sind die Verluste über den gesamten Strombereich höher als erwartet, sollten der Welligkeitsstrom und das Kernmaterial untersucht werden.

Hat man den dominierenden Verlustmechanismus identifiziert, können oftmals schon kleine Anpassungen am Design den Wirkungsgrad messbar verbessern.

Das eingangs erwähnte hocheffiziente System, um das es in diesem Artikel ging, enthält den synchronen Abwärtswandler LMG708B0 mit integrierter GaN-Technik, konfiguriert für 5 V Ausgangsspannung und mit einer reduzierten Induktivität von 2,5 µH. (mr)

[1] Jacob, Mathew: „Select inductors for buck converters to get optimum efficiency and reliability”. Artikel im Texas Instruments Analog Design Journal, Literature No. SLYT775, 3Q2019.

* Matthew Bowers ist Systems Engineer bei Texas Instruments.

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