Vom Zerhacker zum GaN-Wandler Schaltnetzteile: Noch nicht reif für die Rente

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Schaltnetzteile finden sich überall. Dass hohe Wirkungsgrade und Leistungsdichten heute selbstverständlich erscheinen, ist jedoch das Ergebnis einer jahrzehntelangen Entwicklung. Erst das Zusammenspiel vieler Entwicklungen machte das Schaltnetzteil zu dem, was es heute ist.

Wer ein modernes USB-C-Netzteil öffnet, findet auf erstaunlich wenig Raum eine vollständige Leistungswandlung: Netzgleichrichtung, Zwischenkreis, Schaltstufe, Transformator, sekundärseitige Gleichrichtung, Regelung und EMV-Filter. Leistungen von über 100 W lassen sich inzwischen in Gehäusen unterbringen, für die vor wenigen Jahrzehnten noch ein deutlich größeres Netzteil erforderlich gewesen wäre.

Das physikalische Grundprinzip dahinter ist allerdings keineswegs neu. Energie wird nicht kontinuierlich an einem Stellglied vernichtet, sondern portionsweise geschaltet, in magnetischen oder elektrischen Feldern gespeichert und auf das gewünschte Spannungsniveau übertragen. Entscheidend für die Entwicklung des Schaltnetzteils war deshalb weniger eine einzelne Erfindung als vielmehr die Fähigkeit, diesen Schaltvorgang immer schneller und verlustärmer zu beherrschen.

Warum überhaupt schalten?

Das klassische lineare Netzteil löst die Spannungswandlung vergleichsweise einfach. Ein Transformator reduziert zunächst die Netzspannung, anschließend folgen Gleichrichtung, Glättung und gegebenenfalls eine lineare Regelung. Muss der Regler beispielsweise aus 15 V eine Ausgangsspannung von 5 V bei 1 A erzeugen, fallen an seinem Stellglied 10 V ab. Allein dort entstehen damit 10 W Verlustleistung.

Der Schaltregler verfolgt einen anderen Ansatz. Sein Leistungshalbleiter soll möglichst entweder vollständig sperren oder vollständig leiten. Im ausgeschalteten Zustand ist der Strom nahezu null, im eingeschalteten Zustand der Spannungsabfall möglichst klein. Das klingt einfach, verschiebt die Schwierigkeiten jedoch an andere Stellen. Nun werden schnelle Schalter, geeignete Energiespeicher, eine Regelung und Filter benötigt. Zudem entstehen durch schnelle Spannungs- und Stromänderungen neue Verluste und elektromagnetische Störungen.

Der Transistor ersetzt den Zerhacker

Die Idee, eine Gleichspannung zunächst zu zerhacken, ist älter als der Halbleiter. Elektromechanische Zerhacker, sogenannte Vibratoren, wurden beispielsweise eingesetzt, um aus einer Gleichspannung eine Wechselgröße zu erzeugen, die sich anschließend transformieren ließ. Solche Lösungen hatten allerdings offensichtliche Grenzen: bewegliche Kontakte verschleißen, die Schaltfrequenz ist niedrig und die Möglichkeiten zur Regelung sind begrenzt.

Mit der Erfindung des Transistors Ende der 1940er-Jahre stand erstmals ein kompakter elektronischer Schalter ohne bewegliche Teile zur Verfügung. Als in den folgenden Jahren Transistoren für höhere Spannungen und Ströme entwickelt wurden, ließ sich das Prinzip auch für die Leistungswandlung nutzen.

Ohne Ferrit kein kleines Schaltnetzteil

Der Halbleiterschalter allein hätte allerdings noch kein kompaktes Netzteil hervorgebracht. Mindestens ebenso wichtig war die Entwicklung geeigneter magnetischer Werkstoffe.

Die Größe eines Transformators hängt wesentlich von seiner Betriebsfrequenz ab. Ein klassischer Netztransformator muss je nach Einsatz-Region, bei 50 oder 60 Hz ausreichend magnetischen Querschnitt besitzen, damit der Kern nicht in Sättigung gerät. Wird die Energie dagegen mit einigen zehn oder hundert Kilohertz übertragen, kann der magnetische Fluss pro Schaltperiode wesentlich kleiner ausfallen.

Mit klassischen Elektroblechen lässt sich die Frequenz jedoch nicht beliebig erhöhen. Wirbelstrom- und Ummagnetisierungsverluste steigen an. Ferritwerkstoffe mit ihrem hohen spezifischen elektrischen Widerstand eröffneten deshalb den Weg zu Transformatoren und Drosseln für deutlich höhere Frequenzen. Je höher die Schaltfrequenz, desto kleiner können Transformatoren, Drosseln und teilweise auch Kondensatoren werden.

Doch diese Gleichung besitzt eine zweite Seite. Mit steigender Frequenz wachsen Schaltverluste, Kernverluste und der Einfluss parasitärer Elemente. Das Schaltnetzteil ist deshalb seit seinen Anfängen ein Kompromiss zwischen Frequenz, Wirkungsgrad, Baugröße und Aufwand.

Aus einer Schaltung wird ein Baukasten

In den 1950er- und 1960er-Jahren entstanden zunehmend transistorisierte Gleichspannungswandler. Besonders attraktiv waren sie dort, wo Wirkungsgrad, Gewicht und Bauvolumen wichtiger waren als minimale Schaltungskosten – beispielsweise in Luftfahrt, Raumfahrt, Militärtechnik und Telekommunikation.

Gleichzeitig bildeten sich die Wandlertopologien heraus, die Entwickler bis heute verwenden. Buck-Wandler reduzieren eine Gleichspannung, Boost-Wandler erhöhen sie. Buck-Boost-Strukturen kombinieren beide Möglichkeiten. Soll eine galvanische Trennung hinzukommen, bieten sich unter anderem Flyback- und Forward-Wandler sowie Push-Pull-, Halbbrücken- und Vollbrückenschaltungen an.

Damit wurde aus dem Grundprinzip des getakteten Energietransports ein regelrechter Werkzeugkasten. Die geeignete Topologie ließ sich nun anhand von Eingangsspannung, Ausgangsspannung, Leistung, galvanischer Trennung und weiteren Anforderungen auswählen.

Viele dieser Grundschaltungen sind Jahrzehnte alt – und trotzdem bis heute aktuell.

Der Einsatz von PWM-Controllern

Ein frühes Schaltnetzteil benötigte nicht nur Leistungstransistoren und magnetische Bauelemente. Auch die Regelung musste aus diskreten Komponenten aufgebaut werden. Oszillator, Referenzspannung, Fehlerverstärker, PWM-Erzeugung, Treiber und Schutzschaltungen erhöhten den Aufwand erheblich. Ein wichtiger Schritt war deshalb die Integration dieser Funktionen in spezielle Controller-ICs.

Mit Bausteinen wie dem SG1524 Mitte der 1970er-Jahre stand eine integrierte PWM-Regelung speziell für Schaltnetzteile zur Verfügung. Später entwickelte sich beispielsweise der TL494 zu einem der bekanntesten Vertreter dieser Bausteinklasse. Referenz, Oszillator, Fehlerverstärker, Pulsweitenmodulation und Ausgangsstufen ließen sich nun mit einem einzigen IC realisieren. Das war mehr als eine bloße Reduzierung der Bauteilzahl. Schaltnetzteile wurden dadurch einfacher reproduzierbar, zuverlässiger und wirtschaftlicher. Die Leistungselektronik begann sich in zwei Funktionsbereiche aufzuteilen: Der Leistungspfad übertrug die Energie, während ein spezialisierter Controller den Energiefluss regelte.

Der Leistungs-MOSFET erhöht das Tempo

Lange Zeit dominierten Bipolartransistoren als Leistungsschalter. Sie konnten hohe Spannungen und Ströme schalten, benötigten jedoch einen entsprechenden Basisstrom und waren insbesondere bei hohen Frequenzen mit Nachteilen verbunden.

Der Leistungs-MOSFET veränderte die Situation grundlegend. Seine Ansteuerung erfolgt über das Gate praktisch leistungslos im statischen Zustand; dynamisch muss im Wesentlichen die Gate-Ladung umgeladen werden. Gleichzeitig lassen sich MOSFETs schnell schalten.

Mit der zunehmenden Verfügbarkeit leistungsfähiger Power-MOSFETs in den 1980er-Jahren konnten Schaltnetzteile deshalb höhere Schaltfrequenzen erreichen. Das wiederum erlaubte kleinere Transformatoren und Drosseln. Doch auch hier zeigte sich das Grundproblem der Leistungselektronik, denn ein schnellerer Schalter beseitigt Verluste nicht, sondern verändert diese.

Im leitenden Zustand entstehen Verluste durch den Einschaltwiderstand R_DS(on). Während des Umschaltens treten Spannung und Strom gleichzeitig am Transistor auf. Hinzu kommen Verluste durch das Umladen parasitärer Kapazitäten und der Gate-Ladung. Die Optimierung des Schaltnetzteils wurde damit zunehmend zur Optimierung des Schaltvorgangs.

Die Verluste wandern zur Sekundärseite

Mit steigenden Wirkungsgraden wurden Verlustmechanismen relevant, die zuvor weniger ins Gewicht gefallen waren. Ein gutes Beispiel dafür ist die Ausgangsgleichrichtung. Bei einer Ausgangsspannung von beispielsweise 5 V ist ein Diodenspannungsabfall von einigen hundert Millivolt keineswegs vernachlässigbar. Besonders bei hohen Ausgangsströmen kann die Gleichrichterdiode einen beträchtlichen Anteil der gesamten Verlustleistung verursachen.

Schottky-Dioden reduzierten diese Verluste. Einen weiteren Schritt brachte die synchrone Gleichrichtung: Statt einer Diode übernimmt ein aktiv angesteuerter MOSFET den Strompfad. Nun bestimmt nicht mehr primär eine Flussspannung die Leitverluste, sondern der Einschaltwiderstand des MOSFETs. Dieses Prinzip ist heute insbesondere bei niedrigen Ausgangsspannungen und hohen Strömen kaum wegzudenken – vom Point-of-Load-Wandler bis zur Stromversorgung leistungsfähiger Prozessoren.

Wenn hartes Schalten zum Problem wird

Mit jeder Erhöhung der Schaltfrequenz verschärft sich ein grundsätzliches Problem. Ein realer Transistor wechselt nicht augenblicklich zwischen Ein- und Aus-Zustand. Während der Umschaltzeit können gleichzeitig eine erhebliche Spannung und ein erheblicher Strom auftreten.

Bei einigen Kilohertz sind die daraus resultierenden Verluste möglicherweise noch überschaubar. Bei Hunderten Kilohertz oder mehreren Megahertz werden sie zu einem zentralen Auslegungskriterium. Die Antwort darauf war nicht ausschließlich ein besserer Halbleiter, sondern auch eine andere Art zu schalten.

Resonante und quasiresonante Verfahren nutzen die im System vorhandenen beziehungsweise gezielt hinzugefügten Induktivitäten und Kapazitäten, um günstigere Schaltbedingungen herzustellen. Beim Zero Voltage Switching wird der Transistor möglichst bei geringer Spannung eingeschaltet, beim Zero Current Switching entsprechend bei geringem Strom.

Mit Topologien wie dem LLC-Resonanzwandler etablierte sich Soft Switching insbesondere dort, wo hohe Wirkungsgrade mit hoher Leistungsdichte kombiniert werden müssen. Resonante Schaltungskonzepte sorgen dafür, dass die Leistungshalbleiter möglichst bei geringer Spannung oder geringem Strom schalten. Dadurch lassen sich die beim Ein- und Ausschalten entstehenden Verluste deutlich reduzieren, was wiederum höhere Schaltfrequenzen ermöglicht. Damit änderte sich ein grundlegender Ansatz: Nicht mehr allein der Schalter sollte schneller werden. Die Schaltung wurde vielmehr so ausgelegt, dass der Schalter möglichst wenig Energie während des Umschaltens vernichtet.

Die parasitären Eigenschaften

Je schneller ein Schaltnetzteil arbeitet, desto weniger entspricht die reale Schaltung ihrem idealisierten Schaltbild. Jede Leiterbahn besitzt eine parasitäre Induktivität. Zwischen leitfähigen Strukturen existieren Kapazitäten. Wicklungen besitzen Streuinduktivitäten und parasitäre Kapazitäten. Selbst ein Widerstand oder Kondensator verhält sich bei hohen Frequenzen nicht mehr ideal.

Mit steigenden dv/dt- und di/dt-Werten werden diese zunächst unscheinbaren Größen bestimmend. Spannungsspitzen, Ringing, Gleichtaktströme und abgestrahlte Störungen entstehen nicht unbedingt durch zusätzliche Bauteile – sondern durch jene Bauteile, die im Stromlaufplan gar nicht eingezeichnet sind.

Damit rückten Layout und EMV immer stärker in den Mittelpunkt der Netzteilentwicklung. Stromschleifen müssen klein bleiben, kritische Knotenflächen minimiert und Rückstrompfade kontrolliert werden. Snubber begrenzen Überschwinger, Gleichtaktdrosseln sowie X- und Y-Kondensatoren unterdrücken leitungsgebundene Störungen. Das moderne Schaltnetzteil ist deshalb nicht allein eine Schaltung. Seine Funktion hängt unmittelbar von seinem geometrischen Aufbau ab.

Vom Netzteil zum Stromversorgungssystem

Parallel dazu stiegen die Anforderungen an die Netzseite. Ein einfacher Brückengleichrichter mit großem Zwischenkreiskondensator zieht seinen Strom hauptsächlich in der Nähe der Scheitelwerte der Netzspannung. Der Eingangsstrom ist dadurch stark gepulst und enthält entsprechende Oberschwingungen.

Mit strengeren Anforderungen an Netzrückwirkungen gewann deshalb die Leistungsfaktorkorrektur an Bedeutung. Insbesondere bei höheren Leistungen wurde dem eigentlichen DC/DC-Wandler zunehmend eine aktive PFC-Stufe vorgeschaltet.

Aus dem einzelnen Wandler wurde ein Stromversorgungssystem: Eingangsschutz und EMV-Filter, Gleichrichtung, PFC, Zwischenkreis, DC/DC-Stufe, synchrone Gleichrichtung und Regelung arbeiten zusammen.

Auch auf der Steuerungsseite setzte sich die Integration fort. Moderne Controller übernehmen nicht mehr nur die Pulsweitenmodulation, sondern auch Softstart, Strombegrenzung, Überspannungs- und Unterspannungsschutz, Burst-Betrieb, synchrone Gleichrichtung und teilweise digitale Kommunikation.

GaN und SiC verschieben die Grenze erneut

Die jüngste große Veränderung betrifft ausgerechnet jenes Bauteil, mit dem die Geschichte des elektronischen Schaltnetzteils begonnen hat: den Leistungsschalter.

Silizium-MOSFETs sind über Jahrzehnte erheblich verbessert worden. Wide-Bandgap-Halbleiter eröffnen jedoch neue Möglichkeiten. Siliziumkarbid spielt seine Vorteile insbesondere bei hohen Sperrspannungen und Leistungen aus. Galliumnitrid ermöglicht aufgrund seiner Bauelementeigenschaften sehr schnelle Schaltvorgänge und eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen hohe Frequenz und Leistungsdichte gefragt sind.

Doch ein GaN-Transistor macht aus einem konventionellen Netzteil nicht automatisch ein besseres Netzteil. Mit sehr schnellen Schaltflanken steigen die Anforderungen an Gate-Treiber, Leiterplattenlayout und EMV. Bereits wenige Nanohenry parasitärer Induktivität können relevant werden. Gleichzeitig muss auch die Magnetik höhere Frequenzen effizient verarbeiten können.

Damit wiederholt sich eine Entwicklung, die das Schaltnetzteil seit seinen Anfängen begleitet: Ein Fortschritt beim Leistungshalbleiter ist erst dann vollständig nutzbar, wenn die übrigen Komponenten mithalten.

Gleiches Prinzip, neue Grenzen

Zwischen einem frühen transistorisierten Wandler und einem heutigen GaN-Netzteil liegen Welten. Schaltfrequenzen, Wirkungsgrade und Leistungsdichten haben sich drastisch verändert. Controller übernehmen Funktionen, für die früher ganze Leiterplatten notwendig waren, und magnetische Bauelemente erreichen bei gleicher Leistung einen Bruchteil früherer Baugrößen.

Erstaunlich konstant geblieben sind dagegen viele Grundlagen. Auch ein moderner Wandler schaltet elektrische Energie, speichert sie zeitweise in elektrischen oder magnetischen Feldern und regelt die übertragene Energiemenge entsprechend der benötigten Ausgangsleistung.

Die Geschichte des Schaltnetzteils ist deshalb weniger die Geschichte einer einzelnen Erfindung als die einer gegenseitigen Beschleunigung: Bessere Halbleiter ermöglichten höhere Frequenzen. Bessere magnetische Werkstoffe machten diese Frequenzen nutzbar. Fortschritte bei Regelung und Topologien reduzierten die Verluste, die dadurch entstanden. Und mit jeder Verbesserung rückte der nächste zuvor unbedeutende Verlustmechanismus in den Mittelpunkt.

Vom mechanischen Zerhacker über Bipolartransistor und PWM-Controller bis zu MOSFET, resonantem Wandler und GaN zeigt sich die Entwicklung vor allem darin, dass Entwickler den Moment, in dem elektrische Energie geschaltet wird, immer präziser beherrschen. (mr)

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