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Vergleich von konventionellem und ZVS-Buck-Betrieb

Bilder 2 und 3 zeigen die Grundschaltungen einer konventionellen bzw. einer ZVS-Buck-Topologie. In den Bildern 4 und 5 sind die Kurvenverläufe der Simulation im statischen Betrieb dieser Schaltungen mit realistischen Werten dargestellt. In Bezug auf die parasitären Induktivitäten sowohl der MOSFET-Gehäuse als auch der pauschal angenommenen Werte für die Leiterbahnen wurden heutige Gehäuse- und Konstruktionsmerkmale angesetzt. In beiden Fällen wird eine Spannung von 36 V auf eine Spannung von 12 V mit einem Strom von 8 A herabgesetzt. Der konventionelle Regler hat eine Ausgangsinduktivität von 2 µH für eine Taktfrequenz von 650 kHz. Beim ZVS-Regler sind dies 230 nH bei einem Betrieb mit 1,3 MHz.

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In Bild 4 (konventioneller Buck-Regler) sieht man, dass ständig ein Strom in der Ausgangsdrossel fließt, der zwischen 5 und 11 A schwankt. Beim ZVS-Buck-Regler ist der Betrieb lückend und der Rückstrom während der Klemmphase ist gut erkennbar. In Bild 4 sieht man auch, dass beim Einschalten hohe, beim Ausschalten etwas geringere Verluste entstehen, während die Durchlassverluste im MOSFET während der eingeschalteten Zeitspanne ziemlich niedrig sind. Die durchschnittlichen Verluste im oberen MOSFET betragen 1,5 W, während der Leitphase 0,24 W, beim Abschalten 0,213 W und beim Einschalten 1,047 W; d.h. die Einschaltphase dominiert und in Bild 6 wird dieser Zeitraum vergrößert dargestellt.

Um einen Querstrom zu vermeiden, gibt es eine Totzeit von 30 ns zwischen dem Ausschalten von Q2 und dem Einschalten von Q1. Während dieser Zeit wird die Body-Diode von Q2 leitend, und es fließt der Freilaufstrom der Ausgangsdrossel durch diese Diode. Wenn Q1 einschaltet, müssen die Ladungsträger in dieser Diode erst ausgeräumt werden, bevor sie die Spannung wieder sperren können. Dies bedeutet eine kurze Stromspitze in Q1, während der auch eine hohe Drain-Source-Spannung an Q1 anliegt, die in etwa der Eingangsspannung entspricht. Daher die hohen Verluste beim Einschalten, zu denen auch weitere, von parasitären Induktivitäten bedingte Effekte beitragen.

Buck-Wandler-Familie auf Basis des Zero Voltage Switching

Die Simulation zeigt bei 1,3 MHz im oberen MOSFET Q1 eine durchschnittliche Verlustleistung von 1,33 W inklusive der Schalt- und Leitungsverluste. Dies ist trotz doppelter Taktfrequenz und wesentlich kleinerer Ausgangsdrossel weniger als in einem konventionellen Wandler. Bild 5 bestätigt auch, dass beim Einschalten von Q1 die Spannung nahezu Null geworden ist und dadurch die Einschaltverluste ebenfalls fast Null sind. Vor dem Einschalten von Q1 gibt es auch keinen Stromfluss durch die Body-Diode und damit keinen Reverse-Recovery-Effekt sowie keine dadurch entstehenden Verluste in Q2.

Die DC-DC-Wandler-Familie PI33XX (Bild 7) im SiP-Gehäuse mit den Maßen 10 mm x 14 mm beinhalten die beschriebene ZVS-Topologie und Controller-Architektur. Für den Aufbau eines kompletten Wandlers werden darüber hinaus nur eine Ausgangsdrossel sowie einige wenige Keramikkondensatoren benötigt. Die Wandler arbeiten mit einem weiten Eingangsspannungsbereich von 8 bis 36 V und liefern an den Ausgängen 1 bis 15 V mit hoher Leistung und hohem Wirkungsgrad. Wie erwähnt, kann die Ausgangsdrossel klein sein und die Taktfrequenz hoch, sodass auf einer Grundfläche von nur 25 mm x 21,5 mm eine Leistung von 120 W mit einem Wirkungsgrad von bis zu 98% realisiert werden kann.

Der lückende Betrieb des Wandlers erlaubt auch bei einer Einschaltzeit von nur 20 ns einen effizienten Betrieb und überwindet damit die sonst üblichen Einschränkungen beim Übersetzungsverhältnis. Damit wird die Forderung nach weniger Wandlerstufen in der gesamten Versorgungskette erfüllt. Ein Abwärtswandler, der aus einer Busspannung von 48 V mit Maximalwerten bis 60 V direkt die Lasten versorgen kann, ist jetzt in der Praxis möglich. Bild 8 zeigt die Wirkungsgradkurve für einen 48-V-auf-2,5-V-ZVS-Buck-Regler bei 10 A Ausgangsstrom. Auch bei der maximalen Eingangsspannung von 60 V bleibt die Wirkungsgradkurve oberhalb von 92% und erreicht bis zu 94% bei 50% Last.

Diese Leistungsdaten bedeuten eine deutliche Verbesserung gegenüber einem konventionellen Abwärtswandler und zeigen die signifikante Wirkungsgraderhöhung der auf der ZVS-Topologie basierten Powerkomponenten.

DC/DC-Wandler

Wie Sie den optimalen Integrationsgrad eines Point-of-Load-Buckreglers ermitteln