gesponsertAnaloge Power ICs Kompakte, effiziente Wandler für Stromversorgungen von morgen

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ROHM Semiconductor GmbH

Bei der Entwicklung von effizienten und kompakten Leistungselektronik-Modulen sind ein hoher Wirkungsgrad und die perfekte Integration der Schaltungsteile entscheidend. Der Schlüssel hierzu sind analoge Power ICs. Doch nicht jede Variante bietet einen vergleichbaren Funktionsumfang.

Energie-Ersparnis, Miniaturisierung sowie Zeit- und Kostendruck sind Schlagworte, die heutzutage jeder Entwickler von Leistungselektronik kennt. Egal ob er durch Kosteneinsparung dazu gezwungen wird, den Kühlkörper ganz wegzulassen, oder ob er aufgrund der geringeren Verluste auf immer höhere Spannungen gehen muss. Die Weiterentwicklung von analogen Power-ICs hilft den Entwicklern, die hohen Anforderungen an ein valides Produktdesign effizient zu erfüllen.

Um die Klimaziele zu erreichen, stehen neben den Endprodukten für den Verbraucher effiziente Industrie-Anlagen im Fokus. Neben der eigentlichen Versorgung von Industrieanlagen werden hier Hilfsstromversorgungen eingesetzt, welche aufgrund der geringeren Verluste mit hohen Spannungen versorgt werden. Aktuell müssen sich Entwickler in einem zeitaufwändigen Prozess zwischen Si-MOSFETs entscheiden, welche jedoch eine geringe Durchbruchsspannung haben, oder IGBTs nutzen, welche allerdings hohe Verluste haben.

Um die Entwicklungszeit zu verkürzen und die Effizienz zu verbessern, braucht es also innovative Lösungen. Es ist alles andere als trivial, ein robustes Design aufzubauen, das in jedem Punkt der Produktvalidierung ein zufriedenstellendes Ergebnis liefert. Hier können einige Entwicklungsschleifen anfallen, welche die Kosten für ein Produkt stark nach oben schnellen lassen können. Eine integrierte Lösung kann hier einen Vorsprung am Markt bedeuten.

Auswahlkriterien und Design eines AC/DC-Wandlers

Das klassische Design eines Spannungswandlers erfordert viele Bauelemente. Im Falle eines AC/DC-Wandlers sind dies beispielsweise mehrere Dioden, Widerstände, FETs und natürlich der eigentliche AC/DC-Controller IC. Zudem ist je nach Verlustleistung ein Kühlkörper erforderlich. Da diese Komponenten zu den essenziellen Bestandteilen gehören, ist ein reduzierterer Aufbau kaum möglich. Um dieses Problem zu lösen, bietet sich die Integration des Wandlers in ein Package an. Die Vorteile dieser Vorgehensweise sind eine bessere Bestückung, ein robusteres Design und ein geringerer Entwicklungsaufwand. Ein Musterbeispiel dafür liefert ROHM. Bei der BM2SC-Serie konnte der Hersteller die externe Beschaltung des ICs gegenüber der Standardkonfiguration von zwölf Bauteilen plus Kühlkörper auf nur noch ein voll integriertes Bauteil reduzieren. Dadurch wird nicht nur der Entwurf der Schaltungen vereinfacht, auch die Zuverlässigkeit im Dauerbetrieb steigt. Der eingesparte Platz auf der Leiterplatte lässt außerdem Spielraum für neue Funktionen.

Mehr Effizienz durch optimierte Regelung

Das Standardverfahren zur Regelung von Leistungselektronik ist die Pulsweitenmodulation (PWM). Sie regelt über das Tastverhältnis (Einschalt- zu Ausschaltdauer) eines Rechtecksignals die Ausgangsspannung oder Ausgangsleistung. In der Variante BM2SCQ12x mit integriertem 1700V/4A SiC-MOSFET hat ROHM die Quasi-Resonant Control Technik (QR) implementiert. Mit deutlich effizienteren Verfahren wie der QR-Technik (Quasi-Resonant) wird durch Hinzufügen eines passiven Bauelements Schaltverluste und elektromagnetischen Emissionen reduziert. Im Vergleich zu konventionellen MOSFETs auf Siliziumbasis arbeitet der integrierte SiC-MOSFET mit deutlich höheren Schaltfrequenzen und Spannungen, was ihn zur energieeffizienten Alternative ohne externen Kühlkörper macht.

Weitere Innovationen am AC/DC-Wandler Markt

Typische Anwendungen für solche AC/DC Controller sind Hilfsstromversorgungen in Industrieanwendungen, Klimaanlagen, Universal-Wechselrichtern und AC-Servoantrieben. In diesen Anwendungen erzeugt eine Hilfsstromversorgung die nötigen Gleichspannungen für Gate-Treiber oder andere Steuerschaltungen. Mit Versorgungsspannungen von 15 V bis 27,5 V und variablen Schaltfrequenzen von bis zu 120 kHz ermöglichen die Bausteine von ROHMs AC/DC-Wandlerserie BM2SC dem Anwender hier ein breites Spektrum an Einsatzmöglichkeiten. Je nach Use-Case sind neben dem Spannungsbereich auch Bestückung und Größe des Bauteils Faktoren, welche bei der Auswahl des Power ICs zu berücksichtigen sind. Beispiele für ein kompaktes Gehäuse mit reduziertem Montageaufwand bietet ROHMs Baureihe BM2SC12xFP2-LBZ im oberflächenmontierbaren TO263-7L-Gehäuse.

Zusätzlich bietet ROHM auch eine Variante mit geringerer Spannungsklasse an: Der BM2P06xMF-Z mit integriertem 730-V-SJ-MOSFET und optimierter PWM-Schaltung unterstützt eine isolierte Stromversorgung und ermöglicht ebenfalls einfachere Designs elektrischer AC/DC-Wandler für Eingangs-Wechselspannungen von 85 V bis 264 V mit niedrigem Stromverbrauch. Kombiniert mit einem externen Shunt-Widerstand zur Strommessung, erlaubt der Baustein große Flexibilität beim Entwurf von Stromversorgungsschaltungen.

ROHM hat auf Basis des Hochspannungs-Prozesses und der Analog-Entwurfstechnologien des Unternehmens eine eingebaute Steuerschaltung zur gezielten Entladung der Eingangskapazität Cx realisiert. Durch die Integration dieser Schaltung spart der Entwickler nicht nur Fläche auf der Leiterpatte, sondern auch Entwicklungszeit. Mit dieser Schaltung erfüllt der Baustein BM2P06xMF-Z die Safety-Anforderungen der Norm IEC 62368 sogar ohne den unverzichtbaren Entladewiderstand für die Eingangskapazität, welcher normalerweise schaltungsbedingt Verluste verursacht. Mit einer Standby-Leistungsaufnahme von lediglich 17 mW, einer maximalen Ausgangs-Gleichspannung Vcc von 60 V und einer dank internem SJ MOSFET 30mal höheren Durchbruchs-Spannungsfestigkeit gegenüber DMOSFETs und planaren MOSFETs. Der IC BM2P06xMF-Z istim oberflächenmontierbaren SOP20A Gehäuse konkurrenzlos am Markt und schafft dabei sogar ungekühlt eine Ausgangsleistung von bis zu 45 W.

Mehr Effizienz auch für DC/DC-Wandler

Die hohe Integration ist nicht nur bei AC/DC-Wandlern möglich. Auch für die DC/DC-Wandlung hat ROHM innovative Lösungen entwickelt, welche die Effizienz und die Einsetzbarkeit ihrer Power-ICs weiter steigern können. So beinhaltet die Serie BD9x zehn DC/DC-Abwärtswandler mit integriertem MOSFET und einer um 20 Prozent erhöhten Eingangsspannungsfestigkeit bis 76 V, was ausreichend Sicherheit gegenüber plötzlichen Überspannungen bietet. Zusammen mit einem bis +150°C erweiterten Bereich für die zulässige maximale Sperrschichttemperatur garantiert dies eine hohe Zuverlässigkeit und Funktionalität auch bei hohen Spannungen und Strömen in Automatisierungsanwendungen, aber auch in 5G-Basisstationen. Gleichzeitig bieten die Bauteile einen Ausgangsstrom von 5 A, weisen einen Überstromschutz auf und verbinden hohe Zuverlässigkeit mit hoher Funktionalität und Miniaturisierung. Durch den attraktiven Eingangsspannungsbereich, welcher die häufig gefragten 48 V und 60 V einschließt, ist der IC in vielen Anwendungen wie E-Bikes, Power-Tools oder Staubsaugern auch sehr interessant. Man stelle sich beispielsweise vor, eine leistungsstarke Beleuchtung oder ein Display eines E-Bikes über die Leistungselektronik des Motors zu versorgen – die Abwärme des Motors würde hier normalerweise ein hohes Ausfallrisiko darstellen. Durch den erweiterten Betriebstemperaturbereich für die zulässige maximale Sperrschichttemperatur, sowie durch das effiziente Design des Bausteins selbst sind auch solche Umgebungen möglich.

Der breite Eingangsspannungsbereich von 2,7 V bis 76 V ermöglicht dem Anwender viele interessante Anwendungen für gängige Spannungen wie 5 V, 12 V oder 24 V. Je nach Bausteintyp kann der Entwickler die Schaltfrequenz zwischen 50 kHz und 2 MHz wählen. Die Wandler der BD9x-Serie verursachen niedrigere Systemkosten durch Reduktion der externen Komponenten und somit geringer Montagefläche.

Zusammenfassung

Vielfältige industrielle Anwendungen verlangen immer höhere Leistungen und Betriebssicherheit der Stromversorgung. Gleichzeitig nimmt der Trend zur Miniaturisierung und Nachhaltigkeit eine zunehmend wichtige Rolle ein. Um diese Anforderungen zu vereinen, stehen Entwickler vor der Herausforderung, die richtige Entscheidung bei der Auswahl analoger Power ICs zu treffen. Neben der Eingangs- und Ausgangsspannung oder einer hohen Stromstärke zählen beispielsweise die Entwicklungszeit, Zuverlässigkeit, Verlustleistung, Baugröße oder integrierte Schutzfunktionen zu den ausschlaggebenden Kriterien.

Die gestiegenen Produktanforderungen und der Wunsch der Anwender, ihren Entwicklungsaufwand zu reduzieren, sind die Gründe dafür, dass der Markt für analoge Power-ICs immer wieder Innovationen hervorbringt. ROHM bietet hier ein sehr breites Spektrum an Lösungen für die Stromversorgung von morgen an.

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