Sperrwandler Integriertes Sperrwandler-Design für maximal 45 W Leistung

Ob Wechselrichter, AC-Servos oder Hausgeräte und Konsumprodukte, die Leistungshalbleiter der Serie BM2P06xMF-Z verzichten auf Kühler und zusätzliche passive Komponenten. Alles Nötige ist integriert.

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Die Fly-back-ICs BM2P060MF-Z liefern bis 45 W Ausgangsleistung ohne zusätzlichen Kühlkörper für z.B. Wechselrichter, AC-Servos, Robotik und Haushaltsgeräte.
Die Fly-back-ICs BM2P060MF-Z liefern bis 45 W Ausgangsleistung ohne zusätzlichen Kühlkörper für z.B. Wechselrichter, AC-Servos, Robotik und Haushaltsgeräte.
(Bild: ROHM)

Hilfsstromversorgungen sind ein wesentlicher Bestandteil von industriellen Wechselrichtern, um verschiedene Gleichspannungspegel für Gate-Treiber und Steuereinheiten zu liefern. Die richtige Auswahl von AC/DC-Devices reduziert Design-Zeit und Systemkomplexität. Dadurch werden Entwicklungs- und Produktionskosten eingespart. Die neuen BM2P06xMF-Z-ICs von ROHM bieten integrierte 730-V-Si-MOSFETs und zielen auf einphasige 85 bis 264-V-Wechselstromsysteme ab. Die vereinfachten Hilfsstromversorgungen und SMPS-Designs kommen den Entwicklern zugute; herkömmliche und auf diskreten Bauteilen basierende Lösungen hingegen erhöhen das Ausfallrisiko und die Komplexität der Schaltung.

Einschränkungen herkömmlicher AC/DC-ICs

In den letzten Jahren müssen AC/DC-Wandler für Industrie- und Verbraucheranwendungen nicht nur Wechselspannungen von 85 bis 264 V unterstützen, um den global unterschiedlichen Wechselspannungsnetzen gerecht zu werden, sondern auch internationalen Normen entsprechen wie dem „Energy Star" für Energieeinsparungen und der Sicherheitsnorm IEC 62368. Außerdem ist es entscheidend, dass AC/DC-Wandler-ICs oberflächenmontierbar sind, um die Montagekosten im Werk zu senken. Da jedoch DMOSFETs und planare MOSFETs mit hohen Verlusten in AC/DC-Wandler-ICs immer noch weit verbreitet sind, war es bisher schwierig, eine hohe Ausgangsleistung in einem oberflächenmontierbaren Gehäuse bereitzustellen. Herkömmliche, auf diskreten MOSFETs basierende Lösungen erfordern außerdem zusätzliche passive Komponenten und Kühlkörper. Das ist nicht nur kostspielig und zeitintensiv, sondern nimmt auch zusätzlich Platz ein.

Vorteile der AC/DC-ICs mit der Bezeichnung BM2P06xMF-Z

Um diese Probleme zu lösen, hat ROHM oberflächenmontierbare AC/DC-ICs mit hoher Ausgangsleistung unter der Bezeichnung BM2P06xMF-Z entwickelt. Das Gehäuse dieser Fly-Back-ICs ist in Bild 1 dargestellt. Sie sind mit 12,8 mm x 10,3 mm x 2,65 mm sehr kompakt und in einem SOP20A-SMD-Gehäuse untergebracht. In diesem Gehäuse integrieren die Bausteine BM2P06xMF-Z einen verlustarmen Super-Junction-MOSFET zusammen mit einer optimierten PWM-Steuerschaltung, um die einfache Entwicklung von AC/DC-Wandlern für 85 bis 264 V zu ermöglichen. Die Verwendung eines oberflächenmontierbaren Gehäuses unterstützt die automatische Leiterplattenmontage, um die Montagekosten im Werk zu reduzieren. Die in den BM2P06xMF-Z ICs implementierten Funktionen gewährleisten die Einhaltung der Sicherheitsnorm IEC62368.

Durch die integrierte Lösung in einem Gehäuse kommen die BM2P06xMF-Z ICs ohne passive Komponenten und Kühlkörper aus. Die Reduzierung der passiven Elemente und des Kühlkörpers spart Platz, Entwicklungszeit und Systemkosten und so verringern die ICs auch das Risiko eines Geräteausfalls und erhöhen die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems. Schließlich sorgen der Wegfall des Entladewiderstands und die Technologie zur Steuerung der geringen Standby-Leistung dieser ICs für einen ungewöhnlich niedrigen Standby-Stromverbrauch, der die Leistung und Effizienz des Stromversorgungssystems erhöht.

Auslegung und Produktauswahl

Auch Versorgungsspannungen bis 60 V (VCC) werden unterstützt, sodass eine externe Step-down-Stromversorgungsschaltung entfällt und weniger Kosten entstehen.

Eine vereinfachte Schaltung eines AC/DC-Rückwärtswandlers zeigt Bild 3, die Versorgungsspannung (Vac,in) beträgt 230 VAC. Das bedeutet: Die Zwischenkreisspannung (Vdc,in) ist 325 V, während für die Referenzspannung (Vref) des Transformators von 250 V ausgegangen wird – unter Berücksichtigung eines Transformator-Windungsverhältnisses von 10:1. Die Ausschaltüberspannung (Vsurge) des MOSFET ist 100 V. Um den richtigen MOSFET für die Stromversorgungsschaltung auszuwählen, muss die Durchbruchspannung des MOSFETs höher liegen als die Summe von Vdc,in, Vrefl und Vsurge.

Bild 3 erläutert auch die Bestimmung der Durchbruchspannung des MOSFET. Die Summe der Spannungen (Vdc,in + Vrefl + Vsurge) beträgt 675 V. Folglich ist für diese Hilfsstromversorgungsschaltung ein MOSFET mit einer Nennspannung von >675 V erforderlich. Die MOSFET-Nennspannung oder Durchbruchspannung der BM2P06xFMF-Z-ICs beträgt 730 V und ist damit höher als die Summe dieser drei Spannungen. Die BM2P06xFMF-Z-ICs weisen also eine ausreichende Durchbruchspannung auf, um die einphasige Eingangswechselspannung zu unterstützen.

Die Bausteine BM2P06xFMF-Z haben integrieren einen 730-V-Silizium-MOSFET und einen PWM-Controller, der eine Schaltfrequenz von 25 bis 65 kHz ermöglicht. Die ICs können bei einer maximalen Sperrschichttemperatur von 150 °C arbeiten. Sie unterstützen eine Versorgungsspannung von 11 bis 60 V. Alle ICs haben einen Überlastschutz, eine X-Cap-Entladefunktion und eine Brown-out-Funktion. In Tabelle 1 aufgeführt sind drei Varianten mit verschiedenen On-Widerstandswerten. Tabelle 2 beschreibt die erreichbare Ausgangsleistung der BM2P06xFMF-Z-Familie. Je nach Einschaltwiderstand des MOSFETs sind Leistungen zwischen 10 und 45 W möglich.

45-W-SMD-Gehäuse reduziert Montage-Kosten

Kombiniert mit dem 730-V-SJ-MOSFET sind auch Anlauf- und optimierte Steuerschaltungen im SOP20A-Gehäuse. Zusätzlich zur Kompatibilität mit Eingangsspannungen von 85 bis 264 VAC unterstützt das oberflächenmontierbare Gehäuse eine hohe Ausgangsleistung bis 45 W (24 V × 1,875 A=45 W), die in der Vergangenheit nur schwer zu erreichen war. Bild 4 zeigt den Vergleich der Ausgangsleistung von Standard-Gehäusen mit Durchsteck-Pins und der maximal erreichbaren Ausgangsleistung der neu eingeführten SOP20A-Gehäuse. Letztere senken die Montagekosten erheblich, da sie eine automatische Montage ermöglichen, was bei allgemeinen Durchsteckgehäusen nicht möglich ist.

90 Prozent weniger Verbrauch im Stand-by-Betrieb

Die BM2P06xFMF-Z ICs reduzieren den Stromverbrauch im Standby-Modus um mindestens 90 Prozent im Vergleich zu Standardprodukten. Dazu nutzen die Halbleiter eine Steuerschaltung (X-Kondensator-Entladefunktion), die ROHMs Hochspannungsprozess und analoge Technologien anwendet, um die Sicherheitsanforderungen der Norm IEC 62368 auch ohne Entladewiderstand zu erfüllen (Bild 5). Durch den Verzicht auf den Entladewiderstand und aufgrund der optimierten Steuerung der Schaltfrequenz verbrauchen die ICs im Standby nur 17 mW (0 W Ausgangsleistung, 230 VAC).

Standard ist auch ein Rauschunterdrückungsmodus, der das Rauschen der Isolationstransformator-Komponenten dämpft. Dieser Modus ist ausschaltbar, um die Standby-Leistung zu verringern. Aktiviert wird er immer dann, wenn Bedenken hinsichtlich des Rauschens von isolierten Transformatorbauteilen bestehen oder der Arbeitsaufwand für Gegenmaßnahmen minimiert werden soll.

Erhöht die Zuverlässigkeit durch weniger Komponenten

Die neuen Halbleiter tragen dazu bei, die Zahl der Stromversorgungskomponenten zu verringern, sodass ein Risiko von Leistungshalbleiterausfällen verringert und die Gesamtzuverlässigkeit erhöht wird. Bild 6 vergleicht die erforderlichen Komponenten zwischen dem Standardprodukt und dem neuen BM2P06xFMF-Z-Produkt. Zulässig ist der Betrieb über einen breiten VCC-Spannungsbereich von 11 bis 60 V. Die maximal zulässige Versorgungsspannung ist mit 60 V doppelt so hoch wie die der Standardprodukte – und bietet damit eine höhere Zuverlässigkeit gegenüber externen Störungen und Überspannungen.

Die verzichtbaren externen Step-down-Schaltungskomponenten sind üblicherweise Zenerdiode, Widerstand, Kondensator und ein Transistor. Der integrierte Super-Junction-MOSFET ist robust gegen Überspannung ausgelegt, um die Avalanche-Toleranz um mehr als das 30-fache gegenüber Standard-DMOSFETs oder Standard-Planar-MOSFETs zu erhöhen.

Die Evaluierungsplatine und Wärmeverteilung

ROHM hält dazu ein Evaluierungsboard mit der Bezeichnung BM2P060MF-EVK-001 bereit. Es enthält den 0,70-Ω-IC BM2P060FMF-Z (Bild 7). Die Testergebnisse der Evaluierungsplatine sind in Bild 8 dargestellt. Die maximale Ausgangsleistung ist nahezu konstant (>45 W) und hängt weniger stark von der Eingangsspannung ab. Das Wärmebild des BM2P060MF-Z während des Betriebs bestätigt, dass die Sperrschichttemperatur unter dem Grenzwert liegt. Die Sperrschichttemperatur Tj beträgt <90 °C bei Ta=25 °C. Wenn die Umgebungs- oder Gehäusetemperatur (Tc) auf 85 °C ansteigen würde, dann läge die Sperrschichttemperatur des Chips bei Tj=150 °C, und damit unterhalb der Spezifikation.

Zusammenfassung der wichtigsten Fakten: Die Leistungs-ICs BM2P06xMF-Z benötigen keinen Kühlkörper, keine zusätzlichen passiven Komponenten und keine zusätzlichen Steuerungen. Dieses reduziert die Design-Zeit und Systemkomplexität und spart Entwicklungs- und Produktionskosten ein. Die Leistungsbausteine eignen sich für Hilfsstromversorgungen und für SMPS-Einheiten mit 85 bis 264 V AC-Versorgungsspannung. um sie in der Entwicklungsphase zu unterstützen. Um die Entwurfsarbeiten in der Entwicklungsphase zu unterstützen, gibt es das Evaluierungsboard BM2P060MF-EVK-001. Damit lässt sich die Leistung des IC bewerten.

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