Darnell: Entwicklungen und Trends Jenseits idealer Produkte und unangenehmer Wahrheiten

Die billigste Energie ist die, die gar nicht erst produziert werden muss. Diese Einsicht gewinnt - obwohl nicht ganz neu - in der elektronisierten Umwelt zunehmend an aktueller Bedeutung.

Effizienz und Langlebigkeit von Leistungselektronikkomponenten und -systemen spielen dabei eine immer wichtigere Rolle.

Einige Vorträge auf dem vor kurzem statt gefundenen »IEEE International Electron Devices Meeting« in San Francisco beschäftigten sich mit der Zukunft der Stromversorgungstechnik. Hiromichi Ohashi vom »New Generation Power Electronics & System Research Consortium« (NPERC-J) in Japan stellte dabei fest: »Als wir uns mit der Power Electronics und Stromversorgungsprodukten beschäftigten, stießen wir auf einige unangenehme Wahrheiten: Schritt für Schritt nähert sich der Wirkungsgrad der Stromversorgungen der 100-Prozent-Marke. Eine weitere Optimierung, über die 100-Prozent-Grenze hinweg, wird nicht möglich sein! Bevor ich auf die Beobachtungen von Dr. Ohashi und die daraus ableiteten Vorhersagen und Empfehlungen eingehe, möchte ich noch zwei andere Vorträge auf der Veranstaltung hervorheben, die sich mit der Zukunft der Stromversorgungstechnik beschäftigen, einen aus Europa und einen aus den USA.

So präsentierte ein Team von Infineon Technologies und dem »Power Electronic Systems Laboratory« der ETH Zürich eine detaillierte Analyse der technischen Herausforderungen, die auf Stromversorgungsentwickler zukommen, wenn sie in Zukunft für die verschiedensten Stromversorgungs-Designs zwischen Si-, SiC- und GaN-Leistungshalbleitern wählen können. Ihr Vortrag lautete: »Si, SiC and GaN power devices: an unbiased view of key performance indicators«.

Die Trümpfe von SiC und GaN

In ihrem Vortrag setzten sich die Autoren mit Keyparametern wie Kapazität und Schaltverluste für Si-, SiC- und GaN-basierte Stromversorgungslösungen auseinander. Während die Wide-Band-Gap-Materialien eine um fast eine Potenz niedrigere Ausgangskapazität aufweisen als herkömmliche Silizium-Leistungshalbleiter, ist das energy equivalent fast gleich mit dem der jüngsten Superjunction-MOSFETs. Vor diesem Hintergrund werden sich klassische Si-Leistungshalbeiter weiterhin vor allem in hart schaltenden Schaltungsdesigns mit moderater Schaltfrequenz behaupten, während SiC und GaN ihre Trümpfe vor allem in resonanten Schaltungsdesigns mit mittleren bis hohen Schaltfrequenzen ausspielen werden.

Die Autoren des Vortrags merken dazu an: Während sich die Stromversorgungs-Industrie langsam zu neuen Grenzen im Hinblick auf Effizienz, Wirkungsgrad und dem Matching von Topologien vorantastet, wird die Kontroll- und Bauteileauswahl immer mehr zu einer kritischen Aufgabe. So werden GaN-HEMTs gegenüber Siliziumbauteilen deutliche Vorteile aufweisen, wenn es um Topologie mit kontinuierlicher Kommutation von Strom in Brücken-basierten Topologien geht, etwa im Fall von Totem Pole oder in resonanten Designs mit moderaten bis hohen Schaltfrequenzen. Dasselbe gilt für SiC, auch wenn hier die Key-Performance-Indikatoren nicht ganz das Niveau vergleichbarer GaN-Leistungshalbleiter erreichen. Silizium, so das Fazit, wird sich weiterhin in zahlreichen Applikationen behaupten, die hart, oder resonant schalten und mit mittleren Schaltfrequenzen arbeiten.

Bezüglich des Einsatzes von GaN-Leitungshalbleitern in Stromversorgungsanwendungen, präsentierten A. Lidow, D. Reuch, und J. Glaser von Efficient Power Conversion eine Analyse des »System Level Inpact of GaN Power Devices in Server Architectures«. Dabei verglichen die Autoren vier Möglichkeiten, um von 48 auf 1 V zu kommen:

1) Ein konventioneller, isolierter 48-auf-12V-Wandler, gefolgt von einem nicht isolierten 12-auf-1VPoint-of-Load-Wandler.

2) Ein Zwei-Stufen-Ansatz mit nicht isolierten 48-auf-12-auf-1V-Konvertern.

3) Ein einstufiger nicht isolierter 48-auf-1V-PoL-Ansatz.

4) Ein Transformer-basierter einstufiger Ansatz von 48 V auf 1 V PoL.

Jeder dieser Ansätze hat Vor- und Nachteile, bezogen auf die vier Kriterien Effizienz, Leistungsdichte, Transientenverhalten und Kosten. Ausgehend von dem signifikant niedrigeren Eingangskapazität eines GaN-Transistors, verglichen mit einem Silizium-Bauteil mit ähnlicher Spannung und Einschaltwiderstand, sind die GaN-Bauteile, in Low-Parasitic-Chip-Scale-Gehäusen untergebracht, einfach schneller als ihre herkömmlichen silziumbasierten MOSFET-Gegenspieler. Dieser Geschwindigkeitsvorteil schlägt sich nicht nur in einer Reduzierung der Schaltungsverluste und einer gesteigerten Leistungsdichte nieder, er erlaubt es dem Systemdesigner auch, einen völlig neuen Ansatz bei seiner Power Architektur umzusetzen.