Galliumnitrid-Leistungsschalter Brückenlose PFC-Schaltung

Brückenlose PFC-Schaltung mit GaN-HEMTs von Transphorm.
Brückenlose PFC-Schaltung mit GaN-HEMTs von Transphorm.

Seit kurzem sind nun Galliumnitrid-Leistungsschalter auf Silizium für 600 V Sperrspannung erhältlich. Dadurch werden ganz neue Wandlertopologien möglich. So wurde auf der PCIM Europe ein Schaltnetzteil demonstriert, das aus einer brückenlosen Totem-Pole-PFC-Schaltung und einem LLC-Wandler besteht. Der Gesamtwirkungsgrad erreicht über 97% schon bei Teillast.

Moderne Schaltnetzteile erfordern fast immer eine Leistunsfaktorkorrektur (PFC). Allerdings umfasst eine traditionelle PFC-Schaltung (Bild 1) stets einen Brückengleichrichter aus Siliziumdioden, der damit inhärent auch zwei Dioden-Spannungsabfälle mit sich bringt. Damit lassen sich die ständig steigenden Anforderungen an den Wirkungsgrad nicht erfüllen. Dafür eignen sich brücken-lose PFC-Schaltungen besser.

Es gibt viele brückenlose PFC-Topologien. Dennoch ist es nötig, eine der beiden DC-Ausgangsklemmen mit dem AC-Eingangsknoten zu verbinden, um die Gleichtaktstörungen effektiv reduzieren zu können. Aus diesem Grund wie auch wegen der Komplexität von Schaltung und Regelung, haben sich zwei Arten von brückenlosen PFC-Schaltungen etabliert:

  • Boost-Gleichrichter mit zwei DC/DC-Boost-Schaltkreisen und 
  • Boost-Gleichrichter mit bidirektionalem Schalter.

Bild 2 zeigt einen brückenlosen PFC-Boost-Gleichrichter mit zwei DC/DC-Boost-Schaltkreisen; eine Topologie, die auch als »Dual Boost«-Schaltung bekannt ist. Bei dieser Topologie wird der PFC-Teil der Schaltung quasi verdoppelt, indem je zwei Sätze von PFC-Drosseln (L1, LB2), Schalttransistoren (S1, S2) und schnellen Boost-Dioden (D1, D2) verwendet werden. Für jede Halbwelle ist nur jeweils ein Zweig aus Drossel, Schalttransistoren und Dioden in Betrieb, während die übrigen Komponenten unbenutzt bleiben. Dennoch ist die Regelfunktion einfach und einem herkömmlichen PFC-Boost-Wandler nicht unähnlich. Da jede PFC-Drossel, jeder Transistor und jede Boost-Diode in der Schaltung den vollen Eingangsstrom übertragen und im Betrieb die volle Ausgangsleistung liefern muss, sind die Nennströme beziehungsweise -spannungen der Bauteile die gleichen wie beim traditionellen PFC-Boost-Wandler.

Bild 2 zeigt einen brückenlosen PFC-Boost-Gleichrichter mit zwei DC/DC-Boost-Schaltkreisen; eine Topologie, die auch als »Dual Boost«-Schaltung bekannt ist. Bei dieser Topologie wird der PFC-Teil der Schaltung quasi verdoppelt, indem je zwei Sätze von PFC-Drosseln (L1, LB2), Schalttransistoren (S1, S2) und schnellen Boost-Dioden (D1, D2) verwendet werden. Für jede Halbwelle ist nur jeweils ein Zweig aus Drossel, Schalttransistoren und Dioden in Betrieb, während die übrigen Komponenten unbenutzt bleiben. Dennoch ist die Regelfunktion einfach und einem herkömmlichen PFC-Boost-Wandler nicht unähnlich. Da jede PFC-Drossel, jeder Transistor und jede Boost-Diode in der Schaltung den vollen Eingangsstrom übertragen und im Betrieb die volle Ausgangsleistung liefern muss, sind die Nennströme beziehungsweise -spannungen der Bauteile die gleichen wie beim traditionellen PFC-Boost-Wandler.

Bild 3 zeigt den brückenlosen PFC-Boost-Gleichrichter mit bidirektionalem Schalter. Die beiden Schalttransistoren (S1, S2) sind in einer »Back to Back«-Schaltung angeordnet und werden zusammen ein- und ausgeschaltet, sodass sie wie ein einziger, bidirektionaler Schalter wirken, der im Einschaltzustand den Strom in beiden Richtungen leitet und im Ausschaltzustand in beiden Richtungen sperrt. Es ist zu beachten, dass es sich bei den Dioden D1 und D3 um schnelle Boost-Dioden und bei den Dioden D2 und D4 um Slow-Recovery-Dioden handelt. Da die Schalttransistoren S1 und S2 beide gleichzeitig einschalten und der Strom durch beide Schalter in Serie fließt, muss der RDS(on) eines jeden Bauelementes halbiert werden, um die Leitungsverluste genau so gering zu halten wie bei einem herkömmlichen PFC-Boost-Wandler. Dies entspricht einer Parallelschaltung von zwei der in Bild 3 gezeigten PFC-Schalttransistoren.

Totem-Pole-PFC-Schaltung

Bild 4 zeigt eine brückenlose Totem-Pole-PFC-Topologie mit zwei schnellen Schalttransistoren (S1 und S2), einer Drossel (LB) und zwei preiswerten, langsamen Dioden (D1, D2). Die elektromagnetischen Störungen sind nur klein, weil jeweils ein AC-Eingangsknoten stets über eine langsame Diode entweder mit der oberen oder der unteren der beiden DC-Ausgangsklemmen verbunden ist. Darüber hinaus gibt es keinen Spannungsabfall über eine schnelle Diode, sodass eine Verbesserung des Wirkungsgrades unnötig ist. Im Vergleich zu den anderen brückenlosen PFC-Topologien aus Bild 2 und Bild 3 besitzt die Totem-Pole-PFC-Schaltung die geringste Anzahl an Bauelementen, da keine Fast-Recovery-Diode und keine größeren PFC-Schalter nötig sind (Tabelle 1).

PFC-Topologie PFC-Drossel PFC-Schalttransistor Schnelle Boost-Diode 
Herkömmliche PFC-Schaltung (als Referenz) 1x1x 1x 
Brückenlose PFC-Schaltung mit zwei Boost-Schaltkreisen2x2x2x
Brückenlose PFC-Schaltung mit bidirektionalem Schalter1x4x 
(je 2x für S1 und S2)
2x
Brückenlose Totem-Pole-PFC-Schaltung 1x2x 0x 
Tabelle 1: Vergleich der Anzahl der Bauelemente verschiedener PFC-Topologien

Diese Schaltung ist allerdings schwierig zu implementieren, da während der Totzeit, in der beide Transistoren sperren, eine der Body-Dioden leitend wird, um den Pfad für den Freilaufstrom im nichtlückenden Betrieb (Continuous Conduction Mode, CCM) zu schließen. Beim anschließenden »harten« Einschalten kann die Speicherladung der Body-Diode der Silizium-MOSFETs hohe Strom- und Spannungsspitzen verursachen, was einerseits zu hohen Schaltverlusten führt, andererseits die Schaltung instabil macht. Der Schlüssel zur Implementierung einer Totem-Pole-Schaltung basiert somit auf Halbleitern der neuesten Generation mit niedrigen On-Widerständen und gleichzeitig geringer Speicherladung. GaN-HEMTs (High Electron Mobility Transistors) bieten solche Eigenschaften.

Das US-amerikanische Startup-Unternehmen Transphorm hat zur diesjährigen PCIM Europe GaN-Transistoren mit 600 V Sperrspannung eingeführt, die auf kostengünstigem Siliziumsubstrat hergestellt werden. Diese GaN-Leistungsbausteine der ersten Generation besitzen einen On-Widerstand von typischerweise 0,15 Ω und haben eine Speicherladung (Qrr) von 54 nC, also 1/20 ihrer modernen Pendants aus Silizium (Bild 5).

Eine Totem-Pole-PFC-Schaltung mit GaN-HEMT im CCM-Modus mit Schwerpunkt auf Minimierung der Leitungsverluste wurde anhand eines vereinfachten Schaltbilds entwickelt (Bild 6). Sie besteht aus einem Paar schneller GaN-Transistoren (Q1, Q2), die bei einer hohen PWM-Frequenz arbeiten, sowie einem Paar langsamer MOSFETs mit sehr niedrigem Durchlasswiderstand (S1 und S2), die mit Netzfrequenz (z.B. 50 Hz) arbeiten. Der Hauptstrompfad enthält nur einen schnellen und einen langsamen Schalttransistor - also ohne einen Dioden-Spannungsabfall. S1 und S2 haben die Funktion eines Synchrongleichrichters. Die beiden GaN-HEMTs bilden einen synchronen Aufwärtswandler, bei dem ein Transistor als Master-Schalter die Energieaufnahme durch die Boost-Drossel (LB) ermöglicht und der andere Transistor als Slave-Schalter die Energie an den Gleichstromausgang abgibt.

Die Rollen der beiden GaN-Bausteine vertauschen sich, wenn sich die Polarität des Eingangswechselstroms ändert, daher muss jeder Transistor in der Lage sein, sowohl die Master- als auch die Slave-Funktion zu übernehmen. Um einen »Shoot through« zu vermeiden, ist eine Totzeit zwischen den beiden Schaltvorgängen vorgesehen, in der beide Transistoren kurzzeitig sperren. Um einen CCM-Betrieb zu ermöglichen, muss die Body-Diode des Slave-Transistors als Freilaufdiode fungieren, damit der Spulenstrom während der Totzeit fließen kann. Der Diodenstrom muss allerdings schnell auf null zurückgehen und in den Sperrzustand übergehen, sobald der Master-Transistor einschaltet. Dies ist der kritische Vorgang bei einer Totem-Pole-PFC-Schaltung, die früher mit abnormalen Spitzen, Instabilitäten und den damit verbundenen hohen Schaltverlusten aufgrund der hohen Speicherladung der Body-Diode in modernen Si-Hochspannungs-MOSFETs verbunden war. Die geringe Speicherladung der GaN-Transistoren ermöglicht es, dieses Hindernis zu überwinden.

Spitzen-Wirkungsgrad von 99,0%

Ein Prototyp der beschriebenen GaN-PFC-Schaltung ist im Anlaufbild zu sehen. Die langsamen Schalttransistoren (S1, S2) sind 600-V-Superjunction-MOSFETs mit einem On-Widerstand von 0,035 Ω. Q1 und Q2 sind GaN-HEMTs im Drain-Tab und Source-Tab-SMD-Gehäuse von Transphorm.

Bild 7 zeigt den Leistungsfaktor als Funktion der Ausgangsleistung, gemessen mit einem Power-Analyzer »WT1800« von Yokogawa bei 230 V Eingangsspannung und 400 V Ausgangspannung (DC). Ein Spitzen-Wirkungsgrad von 99,0% wird bei 400 W erreicht, während der Gesamtwirkungsgrad zwischen 180 W und 1 kW bei über 98,6% liegt.

Über den Autor:

Zan Huang ist Marketing and Applications Manager im Power Supply Segment bei Transphorm.