Warum gerade SEPIC-Wandler? - All

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LEISTUNGSELEKTRONIK
Warum gerade SEPIC-Wandler?
Bei der SPANNUNGSSTABILISIERUNG in Automotive-Anwendungen bieten SEPIC-Wandler
diverse Vorteile. AUTOMOBIL-ELEKTRONIK analysiert die Funktionsweise des SEPIC-Wandlers
und erläutert grundlegende Auswahlkriterien des Schaltelementes (MOSFET).
E
lektronische Systeme in heutigen
Fahrzeugen und im Automobil von
morgen sind auf eine leistungsfähige,
effiziente und zuverlässige Stromversorgung angewiesen. Deshalb werden an
Strom- und Spannungsversorgungssysteme im Kraftfahrzeug sehr spezielle Anforderungen gestellt. Für die stark schwankenden Spannungen, die von 6 V bei
Kaltstart bis Ubat > 30 V bei Load-Dump
reichen, sind einfache Stromversorgungslösungen wie lineare Spannungsregler nicht immer die richtige Lösung,
um die gewünschten Versorgungsspannungen bereitzustellen.
So muss zum Beispiel beim Kaltstart
die Nennspannung des Bordnetzes angehoben werden, weil die mechanische
Reibung zwischen den beweglichen Teilen des Motors in dieser Situation sehr
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hoch ist, so dass noch mehr Kraft zum
Bei vielen Automotive-Anwendungen
Drehen des Motors aufgewendet werden
entspricht die von der Batterie und der
muss. Der Anlasser nimmt aus diesem
Lichtmaschine gelieferte Spannung nicht
Grund sehr hohe Spitzenströme auf, die
immer den An forderungen der Steuerwesentlich größer sind als die Ströme
einheiten, da die meisten Steuergeräte mit
beim Anlassen eines bereits beDer SEPIC-Wandler ist für viele Anwendungen
triebswarmen Moim Automobil eine gute Wahl, um ein effizientes
tors. Erschwerend
Power-Management zu erzielen.
kommt beim Kaltstart hinzu, dass
kleineren Spannungen arbeiten als die 12
die Batteriespannung durch niedrige
V Batteriespannung. Daher muss eine
Temperaturen ohnehin schon geringer
Umwandlung in den richtigen Spanist.
nungswert mit Schaltreglern erfolgen.
Auf Grund all dieser bei niedrigen
Auch unter Lastabschaltungen (LoadTemperaturen auftretenden Effekte
Dump) muss die Stromversorgung zuverherrscht im Bordnetz von Automobilen
lässig arbeiten. Als Load-Dump bezeichzu bestimmten Zeiten eine sehr geringe
net man den Zustand eines offenen Batminimale Versorgungsspannung die
teriekreises, während die Lichtmaschine
hochgesetzt werden muss.
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die Batterie auflädt. Abhängig von der jeweils verwendeten Stromerzeugung und
den Steuerungsverfahren können LoadDump-Stoßspannungen von über 30 V
entstehen.
Letztlich muss sichergestellt werden,
dass die Spannungen nicht einbrechen
damit wichtige und sicherheitsrelevante
Komponenten wie zum Beispiel ABS,
Airbag oder Bremssysteme ihre zugedachte Funktionen beibehalten. Auch
der Funktionsverlust beispielsweise eines
Navigations- oder Infotainmentgerätes
während des Anlassens (Starten des Motors) ist nicht akzeptabel.
Deswegen ist es für viele elektronische
Funktionsblöcke im Kfz wichtig, mit DC/
DC-Wandlern eine stabile Versorgungsspannung zu erzeugen, die im Bereich
der Batterie-Nominalspannung liegt.
Bild 1: Prinzipieller Aufbau eines SEPIC-Wandlers. Alle Grafiken: Renesas
SEPIC-Wandler
Der SEPIC-Wandler (Single Ended Primary Inductance Converter) lässt sich
hier vorteilhaft einsetzen, da er Spannungen herauf- und herabtransformieren kann. Für viele Anwendungen im
Auto ist diese Topologie eine gute Wahl,
um ein effizientes Power-Management
zu erzielen. Im Gegensatz zu FlybackWandlern (Sperrwandler) vereinfacht
sich auch die externe Beschaltung. Ein
großer Vorteil besteht darin, dass der
SEPIC-Wandler die Gleichspannung zum
Ausgang abtrennt und ein Stromfluss
über die Spule von Eingang zu Ausgang
im ausgeschalteten Zustand dank des
schaltungsbedingten Koppelkondensators vermieden wird.
Funktionsweise
Bild 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau
der Schaltung mit allen erforderlichen
Bauelementen. Als wesentliches Element der Schaltung sind drei Energiespeicher (L1, L2 und C_sepic) sowie ein
MOSFET zu erkennen. Um möglichst
gleichmäßige Ströme zu erzielen und die
Belastung von Spule, Diode und MOSFET niedrig zu halten, ist es empfehlenswert, den Wandler im kontinuierlichen
Modus zu betreiben. In dieser Betriebsart
ist die Strombelastung nur etwa halb so
groß wie im diskontinuierlichen Modus,
und die Bauteilgröße verringert sich im
gleichen Maße. Dabei lassen sich L1 und
L2 auf einem Spulenkörper unterbringen, da sie im kontinuierlichen Betrieb
über den gesamten Schaltzyklus die gleichen Spannungspegel aufweisen.
Drei Schaltphasen
Die Funktionsweise eines SEPIC-Wandlers lässt sich an den drei wichtigsten
Bild 2: Darstellung der drei wichtigsten Schaltphasen. Oben wird der MOSFET gerade eingeschaltet, in der Mitte ist der MOSFET eingeschaltet, und unten ist der MOSFET ausgeschaltet.
Schaltphasen (Bild 2) erläutern. In Phase
1 wird der MOSFET eingeschaltet (Bild
2-1), in Phase 2 ist der MOSFET eingeschaltet (Bild 2-2), und in Phase 3 ist der
MOSFET ausgeschaltet (Bild 2-3).
Phase 1 charakterisiert den Anfangszustand, in dem der MOSFET eingeschaltet wird. Der SEPIC-Kondensator hat sich
auf Vin aufgeladen, am Ausgang liegen 0
V und in keinem der Bauelemente fließt
ein Strom (Bild 2-1).
In Phase 2 ist der MOSFET eingeschaltet, so dass an L1 die gesamte Eingangsspannung Vin anliegt. Der Strom durch
die Spule steigt dabei rampenförmig an,
womit in L1 Energie gepeichert wird. Die
Anstiegssteilheit des Stromes IL1 hängt
von der Eingangsspannung und von dem
Induktivitätswert der Spule ab.
Dadurch, dass sich der SEPIC- Kondensator auf Vin aufgeladen hat, wirkt er
für L2 ebenfalls als Eingangsspannung
Vin, womit auch durch L2 ein Strom
fließt und die Energie des Kondensators
in die Spule umgeladen wird. In dieser
Zeit arbeitet die Diode D1 in Sperrrichtung und der Ausgangskondensator C3
muss den Strom für die angeschlossene
Last liefern. Nun fließt durch beide Spulen ein Strom, der sich nicht sprunghaft
ändern kann, wenn der MOSFET ausschaltet ist, da die Spulen durch die gespeicherte Energie den Stromfluss aufrecht erhalten wollen.
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Danach beginnt Phase 3: Wenn der
MOSFET ausgeschaltet ist, kehrt sich die
Polarität der Spannung an den Spulen
um. Die Diode leitet nun die gespeicherte
Energie an den Ausgangskondensator
und an die angeschlossene Last. Damit
der Strom durch L1 weiter fließen kann,
muss die Spannung am MOSFET auf
Vin + Vout + VDiode ansteigen. Diese hohen
Spannungen müssen die Entwickler bei
der Auswahl des MOSFETs unbedingt berücksichtigen. Der Strom der durch den
Überlappung von Strom und Spannung.
Im Fall sehr schneller Leistungstransistoren kann entlastetes Einschalten für den
Leistungs-FET erreicht werden. Schaltet
der FET schnell genug, so klemmen die in
den Gehäusen und in den Leiterbahnen
vorhandenen Induktivitäten die Spannung über den Leistungs-FET während
der Stromkommutierung auf 0 V. Ist der
FET vollständig eingeschaltet bevor die
Stromkommutierung abgeschlossen ist,
so wird ein entlastetes Schalten erreicht:
mit vernachlässigbaren EinschaltEin Vorteil des SEPIC-Wandlers liegt in der Nutverlusten. Kriterizung von Lowside-MOSFETs als Schalter, die sich um hierbei ist,
leichter ansteuern lassen als Highside-MOSFETs. dass die Ladezeit
der Gate-DrainLadung (QGD) kleiSEPIC-Kondensator C_sepic fließt, lädt
ner ist als die Stromkommutierungszeit
ihn wiederum auf Vin auf, so dass er die
tk = U / LStreu 욼I; wobei U die EingangsSpule L2 mit seiner gespeicherten Enerspannung ist, LStreu die Induktivität im
Stromkreis und 욼I der Stromhub wähgie laden kann, sobald der MOSFET wierend der Kommutierung.
der eingeschaltet wird.
Die Umschaltverluste hängen stark
Auswahl des Schaltelementes
von der Schaltfrequenz f und dem Typ
eines SEPIC-Wandlers
des MOSFET s ab. Bei Frequenzen bis zu
Hochleistungs-SEPIC -Wandler erfordern
5 kHz sind die Umschaltverluste noch
Leistungs-MOSFETs, die sowohl einen
sehr gering. Bei höheren Frequenzen jeniedrigen On-Widerstand RDS(on) als auch
doch steigen die Verluste „langsamer“
eine niedrige Gate-Ladung QG aufweisen.
MOSFETS an – und dann können die
Daher kommt als Schaltelement ein
Umschaltverluste des MOSFETs größer
n-Kanal-MOSFET zum Einsatz. Ein grosein als seine Leitverluste.
ßer Vorteil dieser Topologie liegt in der
Zur Berechnung der Verluste sind die
Nutzung eines Lowside-MOSFETs als
MOSFET-Par ameter RDS(on) (Innenwiderstand), QGD (Gate-Drain-Ladung)
Schaltelement. Der Transistor befindet
und QGS (Gate-Source-Ladung) aus dem
sich somit zwischen dem Schalt-Knoten
jeweiligen Datenblatt erforderlich.
und der Masse. Hierdurch lässt er sich erDas Tastverhältnis eines SEPIC-Wandheblich einfacher ansteuern als ein
lers berechnet sich gemäß Formel 1.
Highside-Transistor, wie er beispielsweise
in der Buck-Boost-Topologie nötig ist. Für
das Highside-Schalten muss das Gate eines
Vout + VDiode
D=
normalen n-Kanal-MOSFETs auf eine
Vin + Vout + VDiode
(1)
Spannung oberhalb der Eingangsspannung angehoben werden; nur dann kann
Sind Vin und Vout gleich, dann
der FET einschalten. Dies erfordert eine
stellt sich ein Tastverhältnis von etwa
Spannungserhöhung, die beispielsweise
50% ein. Das Maximum wird erreicht
mit Hilfe einer Ladungspumpe erfolgt.
wenn Vin = Vin(min) ist. Der Effektivwert
Verluste
beziehungsweise
Spitzenwert
des
Die Gesamtverlustleistung eines SEPICSchaltstroms errechnet sich nach ForWandlers während eines Schaltvorgangs
mel 2 und 3. Die Verlustleistungen ergesetzt sich zusammen aus den Leitverlusben sich gemäß den Formeln 4, 5, 6 und
ten, während der MOSFET eingeschaltet
7. Dabei sind: RDS(on) der On-Widerstand, QGD die Gate-Drain-Ladung und
ist, den Ein- und Ausschaltverlusten des
IG der Strom, den der MOSFET treiben
Leistungs-FETs und den Umladeverlusoder aufnehmen kann.
ten des Gates. Bei modernen TrenchMOSFETS sind die Umladeverluste bezogen auf die Gesamtverluste so niedrig,
(Vout + Vin (min) ) × Vout
dass man sie bei der Gesamtbetrachtung
I RMS = I out ×
2
Vin (min)
vernachlässigen kann.
Die Ein- und Ausschaltverluste des
(2)
Leistungs-FETs ergeben sich aus den
I peak = I L1( peak ) + I L 2 ( peak )
(3)
Schaltzeiten und der resultierenden
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PLeitverlust = RDS ,on × I RMS × Dmax
2
PSchaltverlust = (Vin (min) + Vout ) × I peak ×
(4)
QGD × f sw
I G (5)
PUmladeverlust = QGS × VGS × f sw
(6)
Pges = PLeitverlust + PSchaltverlust + PUmladeverlust
(7)
Da bei Anwesenheit von Spulen
Schwingungen und Spikes auftreten, ist
noch ausreichend Spannungsreserve für
den MOSFET zu berücksichtigen. Die
Spitzenspannung VSW(peak), die in einem
SEPIC-Wandler auftreten kann, errechnet
sich nach Formel 8. Die Drain-SourceSpannung VDS des MOSFET sollte daher
mindestens die Anforderungen von Formel 9 erfüllen.
Vsw ( peak ) = Vin + Vout + VDiode
(8)
VDS (max) ≥ 1.15 × Vsw ( peak )
(9)
Auswahl des MOSFETs
Für die hier beschriebene Schaltung eignen sich die neuen SJ1-MOSFETs
(SuperJunction1) der NP-Serie von Renesas, die für Spannungen bis 55 V ausgelegt sind. Mit der Super-Junction1-Technologie kann Renesas die Gateladung und die parasitären Kapazitäten
unter Beibehaltung kleiner On-Widerstandswerte erheblich reduzieren und somit die passenden Bauteile für effiziente
Schaltanwendungen wie beispielsweise
SEPIC-Wandlern zur Verfügung stellen.
Niedrige Gate-Ladungen und kleine parasitäre Kapazitäten sorgen nämlich für
geringere Schaltverluste und -zeiten. Die
kleinere Figure-of-Merit (FOM = RDS(on) x
QG) von MOSFETs der SJ1-Technologie
ermöglicht nicht nur die Verwendung
besonders niederohmiger Transistoren,
sondern auch reduzierte Leistungsverluste und eine verbesserte Effizienz. Wie
alle Mitglieder der NP-Serie sind die neuen Bauteile nach AEC-Q101 qualifiziert,
unterstützen eine Kanaltemperatur bis
zu 175 °C und erfüllen dank verzinnter
Anschlüsse sämtliche Anforderungen
hinsichtlich RoHS.
Abdullah Cam arbeitet im Produktmarketing
für Power-MOSFETs bei Renesas Electronics
Europe
infoDIRECT
Link zu Renesas
www.all-electronics.de
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