Ideal Diode Controller „Dioden“ mit geringer Verlustleistung

Verluste von Dioden zu minimieren ist immer dort von großer Bedeutung, wo hohe Ströme bei relativ niedrigen Spannungen fließen. Das ist zum Beispiel bei der Parallelschaltung von Solarmodulen oder Lithium-Ionen-Akkus der Fall. Um solche Verluste zu minimieren, wurden sogenannte „Ideal Diode Controller“ entwickelt.

Von Rainer Schuster (Deutschland)

Ein typische Anwendung von Dioden sieht man in Bild 1.

typical diode use case — Bild 1. Bei der Parallelschaltung von Solarpanels oder Akkus kommt es auf niedrige Verlustleistung an.

Die Dioden sind erforderlich, um einen Stromfluss von einer Batterie oder einem Solarmodul in eine andere Batterie oder ein anderes Solarmodul zu verhindern. Betrachtet man aber die Verluste von Siliziumdioden, hier am Beispiel einer 1N5404, sagt das Datenblatt, dass die Durchlassspannung bei 3 A bereits 1 V beträgt (Bild 2).

1N5404 forward voltage — Bild 2. Durchlasscharakteristik der 1N5404 (Quelle: Datenblatt Diotec Semiconductor AG).

Bei 3 A ergibt sich so eine Verlustleistung von 3 W!

Ein bisschen besser sieht es aus, wenn man eine Schottky-Diode verwendet, zum Beispiel eine 1N5822, die auch 3 A verträgt. Der Spannungsabfall über der Diode beträgt bei diesem Strom nur noch 0,45 V, was, wie Bild 3 zeigt, einer Verlustleistung von 1,35 W entspricht.

1N5822 forward voltage versus current characteristic — Bild 3. Durchlasscharakteristik der 1N5822 (Quelle: Datenblatt Onsemi)

Will man aber Dioden für höhere Ströme verwenden, zum Beispiel 100 A und mehr (was bei der Parallelschaltung von Li-Ion-Akkus durchaus realistisch ist), dann steigt auch bei Verwendung von Schottky-Dioden die Verlustleistung auf nicht akzeptable 50 W und mehr.

Die Ideale Diode

Um diese Verlustleistung zu minimieren, hat die Firma Linear Technology sogenannte „Ideal Diode Controller“ wie den LTC4357 entwickelt. Dieser Controller besitzt einen Eingang (Anode), einen Ausgang (Kathode) und einen Ground-Anschluss. Zusammen mit einem NMOS-FET verhält sich die Schaltung in Bild 4, wie eine „ideale“ Diode, wobei die maximale Spannung für den LTC4357 80 V beträgt. Natürlich muss die maximal erlaubte Drain-Source-Spannung des MOSFETs der vorhandenen Spannung zwischen Ein- und Ausgang entsprechen. Der maximale Diodenstrom hängt nur vom maximal erlaubten Drainstrom des MOSFETs ab. Die Verlustleistung wird lediglich vom Drain-Source-Widerstand des MOSFETs bestimmt.

An ideal diode controller and a MOSFET. — Bild 4. Die Standardapplikation besteht aus dem Controller und einem MOSFET.

In der typischen Applikation in Bild 4 arbeitet der LTC4357 im Prinzip wie ein Komparator: Ist die Eingangsspannung größer als die Ausgangsspannung, wird Q1 leitend, ansonsten sperrt Q1 und verhindert einen Stromfluss von der Kathode (Drain) zur Anode (Source).

Man sieht zwar und wundert sich vielleicht, dass der Versorgungsspannungsanschluss VDD des LTC4357 mit dem Ausgang (Kathode) verbunden ist, die Schaltung funktioniert aber trotzdem, da der LTC4357 beim Einschalten seine Versorgungsspannung über die Body-Diode von Q1 erhält (falls an der Kathode keine Spannung einer anderen Quelle anliegt). Als zusätzliches Feature wird Q1 im Falle eines Kurzschlusses zwischen Kathode und GND ebenfalls abgeschaltet. In der oben gezeigten Applikation wird als MOSFET ein IRF2805 verwendet. Laut Datenblatt beträgt der Drain-Source-Widerstand nur 4,7 mΩ. Bei einem Strom von 3 A beträgt der Spannungsabfall über dem MOSFET deshalb nur 14,1 mV, was einer Verlustleistung von gerade einmal 42 mW entspricht. Vergleicht man die Werte bei 75 A mit einer Diode (zum Beispiel einer DSEI 120 von IXYS) ergibt sich:

graphics team pls make a small 3x3 table (I did not use tabs, because of an EP CMS bug, I used // to separate cells)

Bauteil	Spannungsabfall	Verlustleistung
IRF2805	350 mV	26 W
DSEI 120	1,5 V	112,5 W

Die Eagle-Dateien für Schaltplan und Layout der oben gezeigten Applikation sind übrigens hier zu finden.

Auch für Wechselspannung

Es gibt aber auch einen Haken bei der Verwendung des LTC4357: Dieses IC ist nicht für die Gleichrichtung von Wechselspannungen geeignet! Dafür hat Linear Technology den LT4320 entwickelt, mit dem sich ein Brückengleichrichter realisieren lässt. Die typische Applikation in Bild 5 ist dem Datenblatt von Linear Technology entnommen.

rectifier using the LT4320. — Bild 5. Gleichrichter mit dem LT4320.

Nach diesem Vorbild lassen sich Brückengleichrichter für Spannungen von 9...70 V realisieren. Der Frequenzbereich reicht von DC bis 60 Hz (LT4320) beziehungsweise von DC bis 600 Hz (LT4320-1). Der Maximalstrom hängt auch hier von den verwendeten MOSFETs ab, ebenso die Verlustleistung des Gleichrichters. Unter sind auch die Eagle-Dateien für Schaltplan und Layout (für die SMD- und für die THT-Version) eines solchen Gleichrichters zu finden. Das Layout ist dabei so gestaltet, dass sich herkömmliche Brückengleichrichter vom Typ BXXCYYYY damit ersetzen lassen. Bild 6 zeigt einen Aufbau auf einem Lochrasterabschnitt.

Prototype rectifier circuit on perfboard. — Bild 6. Probeaufbau des Gleichrichters auf Lochraster.

Fazit

Mit den Linear Diode Controllern lässt sich die Verlustleistung über Dioden(-Gleichrichtern) stark reduzieren. Der erhöhte Bauteilaufwand (und auch die höheren Kosten) sind bei Schaltungen, in denen hohe Ströme fließen, durchaus gerechtfertigt.

Ganz so „ideal“ sind die Ideal Diode Controller von Linear Technology natürlich nicht, wie der Spannungsverlauf über einer solchen „Diode“ zeigt, weil sich parasitäre Größen realer Bauteile nun einmal nicht hinwegwünschen lassen (Bild 7). Jedoch stellen die Controller mit ihren MOSFETs die beste aller Möglichkeiten dar, die Verlustleistung über einer Diode zu reduzieren.

Bild 7. Spannungsverlauf hinter der Diode.

Für den LT4357 und auch für den LT4320 findet man h ier entsprechende Schaltpläne zur Simulation mit LTSpice. H ier ist ein Video zu diesem Thema zu sehen.

(200568-02)