AC-DC-Wandler
Zweistufige Stromrichter | PFC: CCM-Totempfahl-Konfiguration (hart schaltend) | DC-DC-Wandler: LLC-Topologie (weich schaltend)
Infineon bietet Systemlösungen zur Stromversorgung von 5G-Mikrozellen und -Basisstationen. Hierbei handelt es sich um Anwendungsbereiche, in denen ein ausgezeichneter Wirkungsgrad (99 %) und eine hohe Leistungsdichte von 4,456 kW/l (73 W/Zoll3) benötigt werden, beispielsweise Hochleistungsserver und Telekommunikationssysteme. Beim Design von Wandlersystemen vertrauen die Ingenieure auf die Produkte von Infineon: Leistungshalbleiter mit breitem Bandabstand (WBG) (CoolGaN™ und CoolSiC™) sowie SJ-Leistungshalbleiter (CoolMOS™) in Kombination mit den Gate-Treiber-ICs und Mikrocontrollern von Infineon.
Insbesondere die CoolGaN™-Module von Infineon sind so ausgelegt, dass sie den typischen Anforderungen von Gleichrichteranwendungen in der Telekommunikationstechnik, wie Lebensdauer und Qualität nach Industriestandard (kumulierte Ausfallrate) in hart schaltenden Totempfahl-Topologien mit PFC-Regelung gerecht werden.
Mit den Halbleiterprodukten von Infineon können Sie den typischen Herausforderungen beim Einsatz von AC-DC-Wandlern in Telekommunikationssystemen erfolgreich begegnen. Hierzu gehören unter anderem:
- Hoher Wirkungsgrad in Verbindung mit hoher Leistungsdichte
- Hohe Zuverlässigkeit zur Verringerung der Wartungskosten
- Möglichst wenige mechanische Bestandteile
- Robustheit in härtesten Einsatzbedingungen im Außenbereich, häufig mit Kühlung durch natürliche Konvektion
- Flache Effizienzkurve (typischerweise bei Lasten zwischen 30 % und 100 %)
Systemdiagramm für Stromversorgung für die Telekommunikation
Anwendungsstudien zeigen klare Vorteile für e-Modus-GaN-HEMTs in Hochleistungsdesigns. Mit GaN-HEMT-Transistoren lassen sich sowohl beim Wirkungsgrad als auch bei der Leistungsdichte die Grenzen neu definieren.
- Hart schaltende Totempfahl-Konfiguration mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC), beispielsweise bei 65 kHz (zum Beispiel Demo-Board EVAL_2500W_PFC_GAN_A)
- Der Bereich zur Gleichstromwandlung arbeitet mit einer weich schaltenden LLC-Topologie (zum Beispiel Demo-Board EVAL_3K6W_LLC_GAN)
- Für 100 % Betriebszeit ausgelegte Systeme mit einer Lebenszeit von 15 Jahren, die zwischen Standby-Betrieb und 80-100 % Last mit einem festen Lastprofil betrieben werden können.
- Das typische Anforderungsprofil an die Qualität fordert eine kumulierte Ausfallrate von 1 FIT innerhalb von 15 Jahren.
Halbleiter von Infineon werden häufig zum Beispiel dann herangezogen, wenn ein bidirektionaler Betrieb erforderlich ist. Einsatzbereite Referenzdesigns wie das Evaluation Board EVAL_3K3W_TP_PFC_SIC sind speziell für Telekommunikationsanwendungen geeignet. Die im Evaluation Board EVAL_3K3W_TP_PFC_SIC umgesetzte Totempfahl-Konfiguration arbeitet sowohl als Wandler als auch als Gleichrichter (mit PFC-Regelung) im nichtlückenden Betrieb (CCM). Über den Mikrocontroller aus der Produktfamilie XMC™ 1000 ist eine vollständig digitale Regelung implementiert.
Im Blockdiagramm oben finden Sie Empfehlungen für Produkte von Infineon für die Wechselstrom-Gleichstromwandlung für Telekommunikationssysteme. Ergänzt werden diese durch Referenzdesigns und verfügbare Leiterplatten, mit denen Sie schneller ans Ziel kommen.
Durch Leistungsfaktorkorrektur (PFC) wird der Eingangsstrom der Stromversorgung mit der Eingangswechselspannung synchronisiert, damit eine maximale Leistung aus dem Stromnetz (Wechselspannungs-Stromversorgung) gezogen wird. Bei einer idealen PFC-Schaltung sind der Eingangsstrom und die Eingangsspannung phasengleich (wie beim Einsatz eines reinen Widerstands), ohne dass Oberschwingungen des Eingangsstroms vorhanden sind. Obwohl es mehrere Möglichkeiten für eine aktive Leistungsfaktorkorrektur (PFC) gibt, wird bei PFC-Anwendungen am häufigsten eine Aufwärtswandler-Topologie (Boost) verwendet.
Bei Niedrigleistungsanwendungen hat die Aufwärtswandler-Topologie mit CrCM (kritischem Leitungsmodus) Vorteile, weil sie stromsparend ist und eine verbesserte Leistungsdichte bietet. Ab einem bestimmten Punkt im mittleren/höheren Leistungsbereich machen sich die unzureichende Filterung und die hohen Spitzenströme sehr nachteilig bemerkbar.
Für Anwendungen mit hoher Leistung erweist sich die Aufwärtswandler-Topologie im nichtlückenden Betrieb (CCM) als die bessere Wahl.
Produktempfehlungen für Ihre CCM-Topologie:
- Leistungsregler: ICs mit PFC und CCM, Arm® Cortex® 32-Bit-Mikrocontroller (MCU) PSoC und XMC
- Gate-Treiber-IC: EiceDRIVER™-Gate-Treiber-ICs für MOSFETs, IGBTs, SiC-MOSFETs und GaN-HEMT-Transistoren
- Boost-Diode mit PFC-Regelung: CoolSiC™-Schottky-Dioden für Spannungen zwischen 600 V und 650 V bis 1200 V
- Dual-Boost-Komponenten mit CCM – MOSFETs: Der CoolMOS™ C7-SJ-MOSFET bietet unerreichte Leistungsfaktorkorrektur. Die 600V CoolMOS™ P7-SJ-MOSFETs wurden als Nachfolger der Produktfamilie 600 V CoolMOS™ P6 entwickelt. Wie bei ihren Vorgängern haben wir auch bei diesen Produkten darauf geachtet, einen guten Kompromiss zwischen hohem Wirkungsgrad und unkomplizierter Einbindung in das Design zu erzielen.
- Dual-Boost-Komponenten mit CCM – IGBTs: TRENCHSTOP™ 5 IGBT steht für eine Technologie, die in einem Hochleistungsgehäuse mit einem gesonderten Pin für den Kelvin-Emitter verbaut ist. Das 4-Pin-Gehäuse TO-247 sorgt dafür, dass die auf den Gate-Emitter-Regelkreis wirkende parasitäre Induktivität des Gehäuses äußerst gering ist, was eine ganz neue Dimension beim Schaltverhalten eröffnet.
- Totempfahl-Konfiguration mit CCM – GaN-HEMT-Transistoren: Lösungen auf GaN-Basis zeichnen sich durch einen besseren Wirkungsgrad (um etwa 0,3 % höher) bei erheblich verringerter Komplexität der Komponenten aus. Bei CCM-geregelten GaN-PFC-Stufen wird nur ein Schaltungszweig in Totempfahl-Konfiguration benötigt, was die Komponenten auf Systemebene kostengünstiger macht, z. B. durch Einsparungen bei magnetischen Bauteilen.
Anwendungsstudien zeigen klare Vorteile für e-Modus-GaN-HEMTs in Hochleistungsdesigns. Es hat sich außerdem erwiesen, dass GaN-Komponenten aufgrund ihrer Schaltleistung beim harten Schalten die Verwendung von Regelungsmechanismen mit weniger Bauteilen ermöglichen, wie beispielsweise CCM-Modulation in der Leistungsfaktorkorrektur, während sie gleichzeitig gegenüber der nächstbesten Alternative auf Siliziumbasis Leistungsvorteile bieten. Das Portfolio an CoolGaN™-Schaltern und die spezifischen GaN EiceDRIVER™-Bausteine von Infineon sind die Komponenten der Wahl für Anwendungen zur CCM-geregelten Wechselstrom-Gleichstromwandlung.
In der ausführlichen Dokumentation zu einer 3-kW-Versorgung für Telekommunikationsanlagen finden Sie einen Vergleich von Halbleiterbausteinen auf GaN- und auf Si-Basis für 230 V ACin und 48 V DCout, mit Optimierung für einen Betrieb bei 50 % der Nennleistung.
Vorteile in der PFC-Stufe:
Das Ergebnis des Vergleichs zeigt einen deutlichen Systemvorteil für GaN-basierte Lösungen mit einem um etwa 0,3 % höheren Wirkungsgrad bei erheblich verringerter Komplexität. Dies gilt insbesondere für die PFC-Stufe, die beim Design mit GaN-Bausteinen mit fester Frequenz und CCM-Modulation arbeitet. Dabei ist die Stromwelligkeit (AC Ripple) relativ hoch. So ist sichergestellt, dass die Transistoren bei sich sinusförmig ändernder Eingangsspannung und unterschiedlichen Lastbedingungen zumindest teilweise spannungslos schalten. Ein wesentlicher Unterschied zwischen den Pareto-optimalen Designs mit Silizium- und mit GaN-Bauelementen im wirtschaftlich interessanten Bereich von 1,83..2,44 kW/l (30..40 W/Zoll3) liegt in der PFC-Stufe. Der TCM-Betrieb bei Silizium-Komponenten führt dazu, dass der Strom sehr wellig und der Effektivwert des Stroms in der PFC-Drossel hoch ist.
Daher müssen zwei Halbbrücken-Totempfahl-Schaltungszweige verschachtelt werden, um die Welligkeit des Eingangsstroms zu verringern und das EMV-Filter zu verkleinern. Im Gegensatz dazu ist bei CCM-geregelten GaN-PFC-Stufen nur ein Halbbrücken-Totempfahl-Schaltungszweig nötig. Das macht diese Lösung auf Systemebene kostengünstiger; so ergeben sich beispielsweise Einsparungen bei magnetischen Komponenten.
Vorteile in der LLC-Stufe:
In der LLC-Stufe ist für die GaN-HEMT-basierten Designs ein geringerer Magnetisierungsstrom zum weichen Schalten erforderlich. Außerdem werden die Verzögerungszeiten kürzer. Wahlweise können bei gleichem Magnetisierungsstrom auch mehrere parallele GaN-Schalter im System verwendet werden. In beiden Fällen reduzieren sich mit GaN-Bausteinen die Verluste in der LLC-Stufe.
Als Ergebnis der Optimierung profitieren sowohl Si- als auch GaN-basierte Designs von einer zweistufigen Matrixtransformator-Konfiguration. Hierbei sind die Primärwicklungen in Reihe geschaltet, die Sekundärwicklungen dagegen parallel. Darüber hinaus liefert die Vollbrückengleichrichtung bessere Ergebnisse als Konfigurationen mit Mittelabgriff. Designs auf Si-Basis arbeiten typischerweise mit einer Schaltfrequenz von 100 kHz, GaN-basierte Designs mit 150 kHz.