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

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

Wichtiger Hinweis: Die Verwendung von elektronischen Bauteilen außerhalb des vorgesehenen Betriebsbereichs führt zum Erlöschen der Garantie. Wenn Sie sich für eine der folgenden Lösungen entscheiden, setzen Sie sich bitte mit dem Hersteller in Verbindung und holen Sie im Voraus dessen Zustimmung ein.

Angenommen, Sie haben eine SiC-Transistoranwendung, die eine positive Gate-Treiberspannung von etwa +15 V und eine negative Gate-Treiberspannung von etwa -4 V erfordert, um eine optimale Leistung mit den geringsten 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?

Hack #1: Verwenden Sie eine nicht spezifizierte Eingangsspannung

Ungeregelte DC/DC-Wandler mit geringer Leistung haben in der Regel ein Verhältnis der Ausgangs-/Eingangsspannungsschwankungen von 1,2 %/1 % von Vin, gemessen bei Volllast. Mit anderen Worten, wenn die Eingangsspannung 10 % über oder unter dem Nennwert liegt, ist die Ausgangsspannung etwa 12 % zu hoch oder zu niedrig, so dass alle Schwankungen der Eingangsspannung verstärkt werden. Das Spannungsverhältnis verbessert sich linear mit abnehmender Last, d. h. bei 50 % Last beträgt es etwa 1,1 %/1 % von Vin und bei minimaler Last entspricht es ungefähr der Parität (1 %/1 %). Um einen Vergleich zwischen den Datenblättern der verschiedenen 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 ist, dass der Wandler immer noch funktioniert, aber die Leistungsparameter sind nicht mehr durch die Datenblattangaben garantiert. Wenn die Eingangsspannung zu niedrig oder zu hoch ist, ist auch die Ausgangsspannung zu niedrig oder zu hoch und liegt daher außerhalb der Spezifikation, was aber unter bestimmten Umständen sehr nützlich sein kann. Die folgenden Bilder (Abbildung 2) und Testergebnisse (Tabelle 1) zeigen gemessene Schaltungsspannungen unter Verwendung des RECOM R-REF01-HB Evaluation Boards, das einen SiC MOSFET mit einem 1MHz PWM-Schaltsignal ansteuert:





Wie aus diesem Hack ersichtlich ist, führt die Einstellung der Eingangsspannung auf -20% unter dem Nennwert (9,6V) zu den gewünschten Nicht-Standard-Ausgangsspannungen, obwohl die Eingangsspannung außerhalb der Datenblatt-Spezifikationen liegt.

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



In der anderen Richtung:


Wir können sehen, dass der Wandler nicht plötzlich aufhört zu funktionieren, selbst wenn die Eingangsspannung weit außerhalb der im Datenblatt angegebenen ±10%-Grenzen liegt.

Achtung: Der Betrieb des Wandlers außerhalb seines spezifizierten Eingangsspannungsbereichs führt zu einer erhöhten internen Belastung, so dass andere im Datenblatt angegebene Spezifikationen wie Wirkungsgrad, Ausgangswelligkeit und Betriebstemperaturbereich möglicherweise nicht eingehalten werden. Wenn die Eingangsspannung sehr niedrig ist, kann der erhöhte Eingangsstrom zu einer Überhitzung der primärseitigen Komponenten führen. Wenn die Eingangsspannung zu hoch ist, können die Spannungswerte der internen Kondensatoren und Transistoren überschritten werden. In beiden Fällen ist es wahrscheinlich, dass die Ausgangsspannung bei Änderungen der Umgebungstemperatur oder der Last erheblich schwankt; verwenden Sie dieses Hack daher mit Vorsicht!

Für eine zuverlässigere Lösung des Problems der Erzeugung einer nicht standardmäßigen asymmetrischen +15V/-4V-Ausgangsspannungskombination müssen wir eine halbregulierte Schaltung verwenden:

Hack #2: Regulieren Sie nur einen der Ausgänge

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

Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass der DC/DC-Wandler innerhalb seines Datenblatt-Spezifikationsbereichs arbeitet, so dass sowohl die Leistung als auch die Garantie nicht 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 fest und unabhängig von Schwankungen der Last- oder Eingangsspannung und kann durch die Wahl einer anderen Zenerdiodenspannung auf jede gewünschte Spannung innerhalb des Bereichs eingestellt werden. Die gleiche Technik kann zur Regelung der positiven Schiene verwendet werden, wenn diese kritischer ist als die negative Schiene (siehe Hack #3).

Der Nachteil dieses Hacks ist, dass der geregelte Schienenstrom durch die Verlustleistung des Transistors begrenzt ist. In diesem Beispiel muss der NPN-Transistor etwa 5 V über ihn ableiten, was ihn auf einen durchschnittlichen Laststrom von maximal -100 mA begrenzen würde (Hinweis: Der Spitzen-Gate-Lade-/Entladestrom wird von den Ausgangskondensatoren geliefert, daher muss hier nur der durchschnittliche Stromabfluss berücksichtigt werden).

Wenn mehr Ausgangsstrom benötigt wird, ohne dass es zu einer übermäßigen Wärmeabgabe kommt, wären gestapelte Wandler die bessere Lösung:

Hack #3: Gestapelte Konverter

Die von einem Gate-Treiber aufgenommene durchschnittliche Leistung hängt vom Gate-Treiber-Spannungshub, der Gate-Ladung des Transistors und der Schaltfrequenz ab; sie kann durch die folgende Gleichung angenähert werden:

Daher wird mehr Gate-Ansteuerungsleistung benötigt, wenn mit höheren Frequenzen geschaltet wird oder wenn parallele Gates angesteuert werden, um z. B. den Ausgangsstrom zu erhöhen. Da die Gate-Ansteuerspannung in unserem Beispiel jedoch asymmetrisch ist (+15V/-4V), wird für den positiven V-Schwung mehr Leistung benötigt gateals für den negativen Schwung. Wenn die Leistungsaufnahme die Möglichkeiten eines einzelnen isolierten DC/DC-Wandlers übersteigt, können zwei verschiedene gestapelte Wandler verwendet 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 einem abgetrennten gemeinsamen Pin verwendet, wodurch eine ungeregelte 18V/222mA-Versorgung entsteht. Diese wird dann durch die Kombination aus Zener- und NPN-Transistor auf die +16V VDD-Schiene heruntergeregelt. Da der NPN-Transistor den doppelten Strom hat, aber nur die halbe Spannung abfallen lassen muss, ist die Transistorverlustleistung ungefähr die gleiche wie in Hack#2.

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

Hack #4: Kaskadierte Wandler

Wie wir in Hack #4 gesehen haben, kann die Ausgangsspannung eines ungeregelten DC/DC-Wandlers durch Anpassen der Eingangsspannung „gezwickt“ werden. Wenn eine einstellbare, isolierte, asymmetrische Gate-Treiberspannung benötigt wird, kann durch Hinzufügen kosteneffektiver, nicht isolierter und vorgeregelter DC/DC-Module eine Gate-Treiberschaltung geschaffen werden, die innerhalb eines breiten Bereichs von Gate-Spannungswerten eingestellt werden kann. Dieser Hack ist nützlich, um zu testen und zu prüfen, welche Kombination von positiven und negativen Treiberspannungen die höchste Leistung mit den geringsten Verlusten bietet. Anschließend können feste Spannungstrimmwiderstände eingebaut werden, um die am besten funktionierende Ausgangsspannungskombination einzustellen:

Das RPX-1.0 ist ein besonders nützliches, kostengünstiges SMD-DC/DC-Modul, da es einen sehr weiten Einstellbereich für die Ausgangsspannung (0,8 - 30 V) und einen beeindruckenden Dauerausgangsstrom von 1 A bietet. Die Ausgangsspannung kann mit zwei Widerständen voreingestellt oder, wie in diesem Hack gezeigt, mit einem Trimmwiderstand variabel gemacht werden.

Wie bei allen Hacks ist auch bei der Verwendung von Produkten außerhalb ihres vorgesehenen Verwendungszwecks Vorsicht geboten, auch 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 DC/DC-Wandler hackt“.

Steve Roberts, Innovationsmanager, RECOM