Wie man seinen DC/DC-Wandler hackt - Teil 1

Grundlage sind die Wandler der Serie RxxPxx von RECOM, die über eine Basisisolierung von 6,4kVDC (250VAC Arbeitsspannung), einen industriellen Betriebstemperaturbereich und eine niedrige Isolationskapazität verfügen und sich daher besonders gut für die Versorgung isolierter Hochspannungs-Gate-Treiber-Schaltungen eignen.

Wichtiger Hinweis: Die Verwendung elektronischer Bauteile außerhalb des vorgesehenen Betriebsbereichs führt zum Erlöschen der Garantie. Wenn Sie eine der folgenden Lösungen anwenden möchten, setzen Sie sich bitte vorab mit dem Hersteller in Verbindung und holen Sie dessen Zustimmung ein.

Angenommen, Sie haben eine SiC-Transistor-Anwendung, die eine positive Gate-Treiberspannung von etwa +15V und eine negative Gate-Treiberspannung von etwa -4V erfordert, um eine optimale Performance bei minimalen Schaltverlusten zu erzielen (Abbildung 1).


Sie prüfen die Datenblätter des Herstellers und stellen fest, dass es einen isolierten DC/DC-Wandler mit dieser speziellen asymmetrischen Ausgangsspannungskombination nicht als Standardprodukt gibt. Was können Sie tun?

Ungeregelte DC/DC-Wandler mit geringer Leistung haben in der Regel ein Verhältnis der Ausgangs- zu Eingangsspannungsschwankungen von 1,2%/1% von Vin bei Volllast. Mit anderen Worten: Liegt die Eingangsspannung 10% über oder unter dem Nennwert, ist die Ausgangsspannung etwa 12% zu hoch oder zu niedrig, sodass Schwankungen der Eingangsspannung entsprechend verstärkt werden. Das Spannungsverhältnis verbessert sich linear mit abnehmender Last, das heißt bei 50% Last beträgt es etwa 1,1%/1% von Vin und bei minimaler Last entspricht es ungefähr der Parität mit 1%/1%. Um einen Vergleich zwischen den Datenblättern verschiedener Hersteller zu ermöglichen, hat die Elektronikindustrie die Spezifikationen für die Netzregelung bei ungeregelten Wandlern auf eine standardisierte Schwankung der Versorgungsspannung von ±10% festgelegt. Was passiert jedoch, wenn die Eingangsspannung außerhalb dieses Bereichs eingestellt wird?

Die Antwort lautet: Der DC/DC-Wandler funktioniert weiterhin, jedoch sind die Leistungsparameter nicht mehr durch die Datenblattangaben garantiert. Ist die Eingangsspannung zu niedrig oder zu hoch, verschiebt sich entsprechend auch die Ausgangsspannung außerhalb der Spezifikation, was unter bestimmten Umständen gezielt genutzt werden kann. Die folgenden Abbildungen (Abbildung 2) und Messergebnisse (Tabelle 1) zeigen gemessene Schaltungsspannungen unter Verwendung des RECOM R-REF01-HB Evaluierungsboards, das einen SiC-MOSFET mit einem 1MHz PWM-Schaltsignal ansteuert:

Wie dieser Hack zeigt, führt eine Absenkung der Eingangsspannung auf -20% unter den Nennwert (9,6V) zu den gewünschten nicht standardmäßigen Ausgangsspannungen, obwohl die Eingangsspannung außerhalb der Datenblatt-Spezifikationen betrieben wird.

Wie weit können wir mit diesem Hack gehen? Nun, schauen wir mal:


In der anderen Richtung:

Es zeigt sich, dass der DC/DC-Wandler nicht abrupt ausfällt, selbst wenn die Eingangsspannung deutlich außerhalb der im Datenblatt spezifizierten ±10%-Grenzen liegt.

Achtung: Der Betrieb des DC/DC-Wandlers außerhalb seines spezifizierten Eingangsspannungsbereichs führt zu einer erhöhten internen Belastung, sodass andere im Datenblatt angegebene Parameter wie Wirkungsgrad, Ausgangswelligkeit und Betriebstemperaturbereich möglicherweise nicht eingehalten werden. Ist die Eingangsspannung sehr niedrig, kann der erhöhte Eingangsstrom zu einer Überhitzung der primärseitigen Komponenten führen. Ist die Eingangsspannung zu hoch, können die Spannungsfestigkeiten interner Kondensatoren und Transistoren überschritten werden. In beiden Fällen ist damit zu rechnen, dass die Ausgangsspannung bei Änderungen der Umgebungstemperatur oder der Last deutlich schwankt; verwenden Sie diesen Hack daher mit entsprechender Vorsicht.

Für eine zuverlässigere Lösung zur Erzeugung einer nicht standardmäßigen asymmetrischen Ausgangsspannungskombination von +15V und -4V ist eine halb geregelte Schaltung erforderlich:

Bei Verwendung eines DC/DC-Wandlers mit asymmetrischem Ausgang, wie z. B. dem RxxP21509D mit Nennausgängen von +15/-9V, kann, wenn eine Ausgangsspannung korrekt ist, die andere auf die gewünschte Ausgangsspannung nachgeregelt werden. In unserem Beispiel einer isolierten Gate-Treiber-Stromversorgung ist der Ausgangsstrom auf der negativen Schiene niedriger als auf der positiven Schiene; daher kann eine Zener-Diode mit einem NPN-Bipolartransistor zur Regelung eingesetzt werden (Abbildung 3).


Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass der DC/DC-Wandler innerhalb seines Datenblatt-Spezifikationsbereichs arbeitet, sodass weder Performance noch Garantie beeinträchtigt werden, einschließlich des Betriebs über den gesamten industriellen Umgebungstemperaturbereich von -40°C bis +85°C ohne Derating. Außerdem ist die negative Schiene nun geregelt und bleibt stabil sowie unabhängig von Schwankungen der Last oder der Eingangsspannung. Durch die Auswahl einer anderen Zenerdiodenspannung kann sie auf jede gewünschte Spannung innerhalb des zulässigen Bereichs eingestellt werden. Die gleiche Technik kann zur Regelung der positiven Schiene eingesetzt werden, wenn diese kritischer ist als die negative Schiene (siehe Hack #3).

Der Nachteil dieses Hacks besteht darin, dass der geregelte Schienenstrom durch die Verlustleistung des Transistors begrenzt ist. In diesem Beispiel fallen am NPN-Transistor etwa 5V ab, wodurch der durchschnittliche Laststrom auf maximal -100mA begrenzt wird (Hinweis: Der Spitzen-Gate-Lade- und Entladestrom wird von den Ausgangskondensatoren bereitgestellt, sodass hier nur der durchschnittliche Strom berücksichtigt werden muss).

Wenn ein höherer Ausgangsstrom erforderlich ist, ohne dass es zu einer übermäßigen Wärmeentwicklung kommt, sind gestapelte DC/DC-Wandler die bessere Lösung:

Die vom Gate-Treiber aufgenommene durchschnittliche Leistung hängt vom Spannungshub, der Gate-Ladung des Transistors und der Schaltfrequenz ab; sie kann mit der folgenden Gleichung angenähert werden:

Daher wird eine höhere Gate-Ansteuerungsleistung benötigt, wenn mit höheren Frequenzen geschaltet wird oder wenn mehrere Gates parallel angesteuert werden, um beispielsweise den Ausgangsstrom zu erhöhen. Da die Gate-Ansteuerspannung in unserem Beispiel jedoch asymmetrisch ist (+15V/-4V), wird für den positiven Spannungshub mehr Leistung benötigt als für den negativen. Übersteigt die Leistungsaufnahme die Möglichkeiten eines einzelnen isolierten DC/DC-Wandlers, können zwei gestapelte Wandler eingesetzt werden (Abbildung 4). Der folgende Hack liefert +16V bei 2W und -5V bei 0,7W:


Der DC/DC-Wandler R12P209D mit zwei Ausgängen wird mit abgetrenntem gemeinsamen Pin betrieben, wodurch eine ungeregelte 18V/222mA-Versorgung entsteht. Diese wird anschließend durch die Kombination aus Zener-Diode und NPN-Transistor auf die +16V VDD-Schiene heruntergeregelt. Da der NPN-Transistor den doppelten Strom führt, jedoch nur die halbe Spannung abfallen lässt, ist die Transistorverlustleistung in etwa vergleichbar mit Hack #2.

Außerdem wurde der 5V-Linearregler für die nicht isolierte Primärseite des Gate-Treibers durch ein kosteneffizientes R-78E Schaltreglermodul ersetzt, das 5V bei bis zu 500mA liefern kann. Dieses versorgt sowohl die Gate-Treiber-Primärseite als auch den DC/DC-Wandler R05P05S, der die isolierte -5V-Ausgangsschiene bereitstellt. Dadurch werden Schwankungen der 12V-Versorgungsspannung auf der negativen Schiene ausgeregelt. Der Betrieb eines ungeregelten DC/DC-Wandlers an einer geregelten Versorgung verbessert die Gesamtleistung des Systems und bildet die Grundlage für die nächste Hacking-Idee, die Verwendung kaskadierter Wandler.

Wie wir in Hack #1 gesehen haben, kann die Ausgangsspannung eines ungeregelten DC/DC-Wandlers durch Anpassen der Eingangsspannung gezielt verändert werden. Wird eine einstellbare, isolierte und asymmetrische Gate-Treiberspannung benötigt, kann durch Hinzufügen kosteneffizienter, nicht isolierter und vorgeregelter DC/DC-Module eine Gate-Treiber-Schaltung realisiert werden, die über einen breiten Bereich von Gate-Spannungen einstellbar ist. Dieser Hack eignet sich besonders, um zu testen, welche Kombination aus positiver und negativer Treiberspannung die höchste Effizienz bei geringsten Schaltverlusten ermöglicht. Anschließend können feste Trimmwiderstände eingesetzt werden, um die optimal ermittelte Ausgangsspannungskombination dauerhaft einzustellen:


Das RPX-1.0 ist ein besonders nützliches und kostengünstiges SMD-DC/DC-Modul, da es einen sehr weiten Einstellbereich der Ausgangsspannung von 0,8V bis 30V sowie einen Dauerausgangsstrom von bis zu 1A bietet. Die Ausgangsspannung kann mit zwei Widerständen voreingestellt oder, wie in diesem Hack gezeigt, über einen Trimmwiderstand variabel eingestellt werden. Wie bei allen Hacks ist auch bei der Verwendung von Produkten außerhalb ihres vorgesehenen Einsatzbereichs entsprechende Vorsicht geboten, selbst wenn das Motto „Wenn es dumm ist und funktioniert, dann ist es nicht dumm“ gilt.

Wenden Sie sich im Zweifelsfall an den technischen Support von RECOM. Wir können die Lösung testen und Sie über die Eignung für Ihre spezielle Anwendung beraten. Für die Serienproduktion bieten wir auch modifizierte Standardwandler mit beliebigen Eingangs- und Ausgangsspannungskombinationen an, so dass Sie eine semi-custom Lösung mit der vollen Herstellergarantie erhalten können.

Dieser Artikel ist der erste Teil einer zweiteiligen Serie. Den zweiten Teil finden Sie hier: „Wie man seinen AC/DC-Wandler hackt“.