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Halbleiter und HF-Transformator

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  1. Halbleiter und HF-Transformator

    Autor: anonymer1994 31.07.15 - 14:24

    Da in den meisten modernen Netzteilen der größte Teil des Volumens auf magnetische Bauteile wie den Hochfrequenztranformator entfällt, verstehe ich nicht, wieso der unterschied so groß ist.
    Siliziumtransistoren, die Leistungen im Bereich mehrerer Kilowatt schalten können, haben kaum mehr als 1cm³ Volumen.

    Mit freundlichen Grüßen,
    Felix Letkemann

  2. Re: Halbleiter und HF-Transformator

    Autor: Birnbaum 31.07.15 - 15:05

    Da durch die höhere Schaltgeschwindigkeit kleinere Transformatoren möglich sind, hast du die Erklärung.

    Insgesamt dürfte es aber die Summe ausmachen: Kleinere Halbleiter, dünneres PCB da weniger Kühlung, besagte kleinere Transformatoren...

    Mal sehen wann sich diese Bauteile durchsetzen.

  3. Re: Halbleiter und HF-Transformator

    Autor: Gaius Gugelhupf 31.07.15 - 15:18

    Die höheren Schaltzeiten sorgen auch noch für geringere Thermische Verluste und können dadurch das Volumen des Netzteils verkleinern helfen.

  4. Re: Halbleiter und HF-Transformator

    Autor: Anonymer Nutzer 31.07.15 - 16:38

    Hier werden zwei Sachen durcheinander gewürfelt...

    Eine höhere Schaltgeschwindigkeit (also die Zeit, in der der Transistor schaltet) führt zu kleineren Verlusten, aber verändert die Größe des Trafos erst einmal nicht.

    Durch die höhere Schaltgeschwindigkeit (und damit eine geringere Verlustenergie pro Schaltvorgang) kann man die Schaltfrequenz erhöhen. Und eine höhere Schaltfrequenz verkleinert den Trafo (wegen geringerer magnetische Aussteuerung), stellt aber auch höhere Anforderungen an das magnetische Material, weil sonst wiederum die Verluste (z.B. Wirbelstromverluste) im Trafo steigen.

    Die anderen Vorteile, die im Artikel angesprochen werden, sind weniger relevant. Die höhere Wärmeleitfähigkeit ist ganz nett, aber nicht kriegsentscheidend. Und die höhere Betriebstemperatur kann man mit der heutigen Technik gar nicht wirklich nutzen. Außerdem muss man die Wärme ja wieder los werden, und das Netzteil darf von außen nicht wärmer werden. Und da die Oberfläche von diesem Würfel sehr klein ist, hat man nur die Chance, die Verlustleistung zu reduzieren und kann auch keine höheren Temperaturen nutzen.

  5. Übliche Frequenzen?

    Autor: barforbarfoo 31.07.15 - 17:10

    Stefan99 schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Durch die höhere Schaltgeschwindigkeit (und damit eine geringere
    > Verlustenergie pro Schaltvorgang) kann man die Schaltfrequenz erhöhen. Und
    > eine höhere Schaltfrequenz verkleinert den Trafo (wegen geringerer
    > magnetische Aussteuerung), stellt aber auch höhere Anforderungen an das
    > magnetische Material, weil sonst wiederum die Verluste (z.B.
    > Wirbelstromverluste) im Trafo steigen.

    Welche Frequenzen sind den derzeit üblich und welche Frequenzen lassen mit dieser Technik erreichen?

  6. Re: Übliche Frequenzen?

    Autor: Anonymer Nutzer 31.07.15 - 17:32

    Das was ich so kenne liegt im Bereich von zweistelligen bis kleine dreistellige kHz (60..150 kHz).

    Mit GaN dürfte man in den hohen dreistelligen Bereich oder sogar MHz kommen. Wobei das dann schon sehr anspruchsvoll für den Trafo und das Leiterplattenlayout wird.

  7. Re: Übliche Frequenzen?

    Autor: barforbarfoo 31.07.15 - 21:13

    Stefan99 schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Das was ich so kenne liegt im Bereich von zweistelligen bis kleine
    > dreistellige kHz (60..150 kHz).
    >
    > Mit GaN dürfte man in den hohen dreistelligen Bereich oder sogar MHz
    > kommen. Wobei das dann schon sehr anspruchsvoll für den Trafo und das
    > Leiterplattenlayout wird.

    Für Schaltreglertopologien dürften die dann wohl auch interessant sein, sind das FETs oder sind die Bipolar?

  8. Re: Übliche Frequenzen?

    Autor: derats 31.07.15 - 21:23

    barforbarfoo schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Stefan99 schrieb:
    > ---------------------------------------------------------------------------
    > -----
    > > Durch die höhere Schaltgeschwindigkeit (und damit eine geringere
    > > Verlustenergie pro Schaltvorgang) kann man die Schaltfrequenz erhöhen.
    > Und
    > > eine höhere Schaltfrequenz verkleinert den Trafo (wegen geringerer
    > > magnetische Aussteuerung), stellt aber auch höhere Anforderungen an das
    > > magnetische Material, weil sonst wiederum die Verluste (z.B.
    > > Wirbelstromverluste) im Trafo steigen.
    >
    > Welche Frequenzen sind den derzeit üblich und welche Frequenzen lassen mit
    > dieser Technik erreichen?

    So ab den End-60ern/70er bis frühe 90er State-of-the-art waren SMPS mit Schaltfrequenzen im Bereich von 30-60 kHz. Das ist sehr langsam, wodurch man die damals sehr langsamen Transistoren gut nutzen konnte. Leistungstrafos für die Frequenzen waren auch unproblematisch. EMI unproblematisch, da der wesentliche Teil in nicht beschränkten Bändern abgestrahlt wird.

    Aktuelle Technik läuft im Kleinleistungsbereich praktisch nicht mehr unter ~500 kHz. Üblich sind heutzutage also so 500 kHz bis einige MHz, letzteres nur bei sehr geringen Leistungen (paar Watt).

  9. Re: Übliche Frequenzen?

    Autor: derats 31.07.15 - 21:25

    barforbarfoo schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Stefan99 schrieb:
    > ---------------------------------------------------------------------------
    > -----
    > > Das was ich so kenne liegt im Bereich von zweistelligen bis kleine
    > > dreistellige kHz (60..150 kHz).
    > >
    > > Mit GaN dürfte man in den hohen dreistelligen Bereich oder sogar MHz
    > > kommen. Wobei das dann schon sehr anspruchsvoll für den Trafo und das
    > > Leiterplattenlayout wird.
    >
    > Für Schaltreglertopologien dürften die dann wohl auch interessant sein,
    > sind das FETs oder sind die Bipolar?

    In Schaltanwendungen hast du praktisch _ausschließlich_ FETs aufgrund der höheren realisierbaren Stromdichten i.Vgl.z. BJTs und gewissen anderen Problematiken (FETs lassen sich viel besser aus dem Sättigungsbereich zurückholen als BJTs, beispielsweise). Die bisher entwickelten GaN Transistoren sind alle FETs der einen oder anderen Spielart.

  10. Re: Übliche Frequenzen?

    Autor: Anonymer Nutzer 31.07.15 - 21:44

    > EMI
    > unproblematisch, da der wesentliche Teil in nicht beschränkten Bändern
    > abgestrahlt wird.

    Schön wär's, aber ist nicht so ganz richtig. Der übliche Messbereich fängt bei 150 kHz (zumindest leitungsgebunden) an. Da spuckt auch ein 30-kHz-Schaltnetzteil schon munter herum, wenn man nichts dagegen unternimmt.

    Richtig ist, dass die Schaltflanken bei älteren Halbleitertechnologien nicht so steil waren und deshalb weniger im hochfrequenten Bereich abgegeben wurde. Dafür schaltet man heute Flyback-Wandler oft zumindest teilweise im resonanten Betrieb, was auch hilft.

    > Aktuelle Technik läuft im Kleinleistungsbereich praktisch nicht mehr unter
    > ~500 kHz. Üblich sind heutzutage also so 500 kHz bis einige MHz, letzteres
    > nur bei sehr geringen Leistungen (paar Watt).

    Nein, nicht wirklich. 500 kHz aufwärts sind bei kleinen, nicht isolierten DC-DC-Wandlern üblich (12V auf Prozessor-Core-Spannung oder ähnliches), aber nicht bei primär getakteten Netzteilen. Da ist man immer noch im Bereich bis 150 kHz. 500 kHz erreicht man da allenfalls mit resonant schaltenden Topologien. Oder eben mit SiC oder GaN.

    >In Schaltanwendungen hast du praktisch _ausschließlich_ FETs aufgrund der höheren realisierbaren Stromdichten i.Vgl.z. BJTs und gewissen anderen Problematiken (FETs
    >lassen sich viel besser aus dem Sättigungsbereich zurückholen als BJTs, beispielsweise). Die bisher entwickelten GaN Transistoren sind alle FETs der einen oder anderen Spielart.

    Bei kleinen Leistungen werden in der Regel MOSFET verwendet. Bei größeren Leistungen (ab kW-Bereich) werden auch IGBT verwendet. Das sind im Prinzip Bipolartransistoren.

  11. Re: Übliche Frequenzen?

    Autor: derats 31.07.15 - 22:23

    ZVS / ZCS macht auch primärgetaktet 500+ kHz. Allerdings hast du Recht, ich war da gedanklich bei was anderem, bei so hohen Frequenzen in isolierten Topologien sind die Koppelkapazitäten nicht mehr gut beherrschbar.

    Ein IGBT ist nur so viel ein BJT wie er ein Darlington ist - ein bisschen. Moderne IGBTs haben damit nicht mehr viel gemein, insb. wenn man sich SOAR bzgl. 2nd Breakdown und die (dafür verantwortliche) Stromdichte anschaut - beides ist bei IGBTs sehr viel höher als bei den besten Schalt-BJTs, erstere sind also bei Impulsen mit Stromdichten weeeiit über der kritischen Stromdichte noch stabil, während letztere bereits zerstört werden.

  12. Re: Halbleiter und HF-Transformator

    Autor: Lala Satalin Deviluke 31.07.15 - 23:17

    Höhere Frequenzen = kleinere Transformatoren.

    Grüße vom Planeten Deviluke!

  13. Re: Übliche Frequenzen?

    Autor: Anonymer Nutzer 01.08.15 - 00:49

    derats schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > ZVS / ZCS macht auch primärgetaktet 500+ kHz. Allerdings hast du Recht, ich
    > war da gedanklich bei was anderem, bei so hohen Frequenzen in isolierten
    > Topologien sind die Koppelkapazitäten nicht mehr gut beherrschbar.

    Ja - habe ich oben ja auch schon angedeutet, dass es unter Umständen mit einer resonanten Topologie auch heute schon geht.

    > Ein IGBT ist nur so viel ein BJT wie er ein Darlington ist - ein bisschen.
    > Moderne IGBTs haben damit nicht mehr viel gemein, insb. wenn man sich SOAR
    > bzgl. 2nd Breakdown und die (dafür verantwortliche) Stromdichte anschaut -
    > beides ist bei IGBTs sehr viel höher als bei den besten Schalt-BJTs,
    > erstere sind also bei Impulsen mit Stromdichten weeeiit über der kritischen
    > Stromdichte noch stabil, während letztere bereits zerstört werden.

    In seinem Grundprinzip ist es aber eben noch ein bipolarer Transistor, auch wenn er etwas anders funktioniert als ein Ur-BJT.

    Ein Superjunction-FET ist ja auch immer noch ein MOSFET, obwohl er dessen physikalische Grenzen in Bezug auf Durchlasswiderstand/Sperrspannungsverhältnis überschreitet. Was im übrigen auch wieder ein Vorteil für Halbleiter mit großer Bandlücke ist: Gerade hoch sperrende Bauelemente haben einen viel niedrigen Widerstand pro Chipfläche. Bei der üblichen Netzspannung geht es noch mit SJ-MOSFET, aber sobald man ein Netzteil für Drehstrom baut, kam man quasi nicht an IGBT vorbei. Es gibt zwar MOSFET mit 1000V+, aber die sind wirklich nur für winzige Ströme und auch nur geringer Schaltfrequenz verwendbar. Mit SiC hat sich das geändert. SiC-Dioden kommen ja auch inzwischen in vielen Netzteilen in Verbindung mit SJ-MOSFET oder IGBT zum Einsatz, weil sie nicht nur den Wirkungsgrad, sondern auch das EMV-Verhalten massiv verbessern. Und GaN macht jetzt eben dem SJ-MOSFET mächtig Konkurrenz.

  14. Re: Übliche Frequenzen?

    Autor: fokka 01.08.15 - 19:09

    ich bin schon lange ausgestiegen, aber es ist schön euch zuzuhören! :)

  15. Re: Übliche Frequenzen?

    Autor: Twoface87 04.08.15 - 14:53

    bitte nicht böse sein, aber das liest sich irgendwie so, wie bei Fallout New Vegas wenn man zu den schwebenden Gehirnen im Think Tank geht (DLC Old World Blues)

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