Einschränkung der Leistungsdichte: Schaltverluste

Obwohl die Erhöhung der Schaltfrequenz die Leistungsdichte erhöhen kann, gibt es einen Grund, warum Stromwandler heute normalerweise nicht höher als bis zum Megahertz-Bereich schalten. Die Erhöhung der Schaltfrequenz hat einen unerwünschten Nebeneffekt, nämlich erhöhte Schaltverluste und einen damit verbundenen Temperaturanstieg. Dies wird hauptsächlich durch einige dominante Schaltverluste verursacht.

Um diese Schaltverluste verstehen zu können, sind zunächst einige branchenübliche Begriffe zu erklären. Bei Halbleiterbauteilen hängt die Ladungsmenge üblicherweise mit dem Durchlasswiderstand zusammen. Ein geringerer Widerstand am Durchlass führt zu höherer Gate-Ladung und parasitärer Kapazität. Dieses Gleichgewicht zwischen Widerstand und Ladung wird häufig durch den als Durchlasswiderstand des Geräts definierten RQ-FoM quantifiziert, multipliziert mit der Gesamtladung, die an das Terminal geliefert werden muss, um den Baustein bei einer Betriebsspannung zu schalten. Darüber hinaus wird der Bereich, den ein Baustein einnimmt, um einen Zielwiderstand zu erreichen, oft als „Rsp“ bezeichnet. Leitungsverluste können durch Verringerung des Durchlasswiderstands (R_DS(on)) des MOSFET reduziert werden. Allerdings steigen durch die Verringerung des Einschaltwiderstands auch die durch die Schaltung bedingten Verluste des Geräts und damit auch Platzbedarf und Kosten.

Je nach Implementierung und Anwendung können sich die verschiedenen Schaltverluste unterschiedlich auf die Gesamtverlustleistung auswirken. Einzelheiten zu den einzelnen Verlustarten siehe Anwendungshinweis Leistungsverlustberechnung unter Berücksichtigung der Common-Source-Induktivität bei Synchron-Abwärtswandlern. Für die Zwecke des vorliegenden Dokuments werden die wichtigsten limitierenden Faktoren zu den Verlustkomponenten am Beispiel eines Abwärtswandlers erläutert.