Traco Power Rechnet sich GaN bei einer Totem-Pole-PFC?

GaN-Transistoren machen Stromversorgungen effizienter und kleiner. In einer Designstudie kamen diese in der PFC-Stufe eines Netzteils zum Einsatz. Dabei wurden die Vor- und Nachteile und die technischen Herausforderungen eingehend untersucht. Lohnen sich Aufwand und Kosten überhaupt?

Seit kurzem stehen Transistoren auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) Halbleiterschalter zur Verfügung. Da diese viel schneller schalten als Silizium-MOSFETs und -IGBTs, sinken die Schaltverluste und die Schaltfrequenzen steigen. Aus diesen beiden Gründen können die Stromversorgungen bei gleicher Ausgangsleistung deutlich schrumpfen.

Allerdings können nicht alle Wandlertopologien diese Vorteile nutzen. Denn mithilfe leistungsfähiger und preiswerter Steuerungs-ICs, die bereits seit einigen Jahren verfügbar sind, lassen sich verschiedene resonante Wandlerkonzepte realisieren. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass Strom oder Spannung am Schalter bereits Null sind, wenn der Schalter ein- oder ausschaltet (Zero Voltage bzw. Zero Current Switching). Dadurch sinken die Schaltverluste quasi auf null. Bei solchen Topologien lassen sich die Schaltverluste mit schneller schaltenden Bauelementen daher nicht weiter drücken. In einem Resonanzwandler bringt GaN also keinen Vorteil.

Bild 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines typischen Netzteils. Am Ausgang passt der LLC-Resonanzwandler das Spannungsniveau an, trennt Eingang von Ausgang galvanisch und regelt Laständerungen aus. Über die Spule L und den Kondensator C fließt die gesamte elektrische Energie, und deren Werte bestimmen durch deren Resonanzfrequenz im Wesentlichen, mit welcher Frequenz der Wandler arbeitet. Vorgeschaltet ist ihm eine PFC-Stufe (Power Factor Correction). Dieser Hochsetzsteller gewährleistet, dass der Eingangsstrom stets exakt der sinusförmigen Eingangsspannung folgt und damit den Leistungsfaktor – das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung – auf eins hebt.

Um die Verlustleistung in der PFC-Stufe zu senken, sind resonant oder quasiresonant schaltende Topologien denkbar, sind aber sehr aufwendig und nur mit hoher Komplexität zu realisieren. Hart schaltende PFC-Stufen sind wesentlich einfacher zu handhaben, und genau dafür eignen sich die neuen sehr schnell schaltenden Transistoren aus GaN oder SiC.

Um den Wirkungsgrad des Netzgerätes mit diesen Komponenten durch geringere Schaltungsverluste deutlich erhöhen zu können, sind auch die Vorwärtsverluste in den Gleichrichterdioden zu reduzieren. Dazu bietet sich unter anderem die sogenannte Totem-Pole-Topologie für den Hochsetzsteller an. Damit lässt sich der üblich verwendete Netzgleichrichter mit seinen relativ hohen Durchlassverlusten von vier Dioden auf zwei Dioden reduzieren. Die Details dazu zeigt Bild 2. Diese Schaltung wurde mit GaN-Transistoren aufgebaut und erprobt. Die Vor- und Nachteile sowie die damit einhergehenden technischen Herausforderungen wollen wir im Folgenden darstellen.

Warum Galliumnitrid?

Superjunction-MOSFETs (SJ) auf Basis von Silizium schalten recht schnell, sind leicht austauschbar, preiswert und gut verfügbar. Nachteilig sind die relative hohe Ansteuerleistung, wenn sie bei höheren Schaltfrequenzen betrieben werden, sowie die hohe Schaltverluste und die lange Rückwärtserholzeit (Reverse Recovery) der parasitären Body-Diode.

SiC-MOSFETs schalten schneller als ihre Vettern aus Silizium, eignen sich sehr gut für hohe Sperrspannungen, haben ein sehr robustes Avalanche-Verhalten und eine Body-Diode mit sehr kurzen Rückwärtserholzeiten. Jedoch ist die Ansteuerung dieser Transistoren etwas aufwendiger, da eine negative Gate-Vorspannung notwendig sein kann.

GaN-Transistoren sind generell in zwei verschiedenen Ausführungen erhältlich: selbstleitend (normally on) und selbstsperrend (normally off). Daraus ergeben sich je nach Typ und Hersteller unterschiedliche Anforderungen bezüglich der Gate-Ansteuerung. Der Vorteil von GaN-Transistoren ist jedoch die bis zu zehnmal kürzere Schaltzeit und der Wegfall der Body-Diode. Dieser Vorteil rechtfertigt unter Umständen den Mehraufwand für Kontrolle und Steuerung dieser Komponenten. Um alle Vorteile der GaN Transistoren vollständig nutzen zu können, ist eine aufwendigere Gate-Ansteuerschaltung notwendig, die oftmals bereits mit auf dem Chip des Leistungsschalters integriert ist. Der Nachteil dabei ist, dass Komponenten verschiedener Hersteller dann nicht mehr kompatibel und damit nicht einfach gegeneinander austauschbar sind.

Aufbau der Totem-Pole-PFC

In Bild 3 ist der PFC-Hochsetzsteller als Totem-Pole-Schaltung aufgebaut. Die Ausgangsspannung ist immer höher als die Eingangsspannung. Die beiden Transistoren arbeiten dabei abwechselnd je nach Polarität der Eingangsspannung als aktiver Schalter oder als aktive Freilaufdiode für den Strom durch die Drossel L2. Diese Transistoren werden alternierend mit einem Tastverhältnis D und 1-D angesteuert.

Benutzt man für die beiden Schalter die sehr schnell schaltenden GaN-Transistoren, kann die Stufe mit kontinuierlichem Drosselstrom arbeiten (nicht lückender Betrieb; Continuous-Conduction-Mode). Das heißt, der Drosselstrom muss nicht Null sein, wenn der Schalter ein- oder ausschaltet, weil die Schaltverluste nur sehr klein ausfallen. Deshalb kann die Speicherdrossel mit wesentlich geringerem Wechselanteil (Ripple Current) arbeiten. Weil sich der Strom durch die Drossel und den Gleichrichterdioden gut regeln lässt, können auch durch diese Dioden durch SJ-MOSFETs ersetzt werden, um die Verluste weiter zu reduzieren. Selbiges Prinzip nutzt seit Jahren schon die sekundärseitige Synchrongleichrichtung.

Weil die Schaltzeiten der GaN-Transistoren nur einige Nanosekunden betragen, werden parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten zu sehr hochfrequenten Schwingungen angeregt. Dies führt zu erheblichen Störungen am Eingang und am Ausgang, was auch die Messungen stark beeinträchtigt. Deshalb kommen die in Bild 3 dargestellten Filter zum Einsatz. Die gemessenen Schaltsignale, jeweils gemessen zwischen Drain- und Source-Anschluss der GaN-Transistoren zeigt Bild 4, den zugehörige Messaufbau Bild 5. Bei dem verwendeten GaN-Transistor wurde festgestellt, dass zwischen Drain und Source am Schalter SiC-Dioden in Sperrrichtung (D3 und D4) notwendig sind, damit während der Totzeit (GaN ist rückwärts leitend, Gate off) keine Oszillationen auftreten. Bild 4 zeigt die Messung des Ausschaltverhaltens der Drain-Source-Spannung am GaN-Transistor einmal ohne (links) und einmal mit externen Dioden (rechts). Der Schaltvorgang dauert weniger als 7 ns, ist also etwa zehnmal kürzer als bei Superjunction-MOSFETs. Damit reduzieren sich auch die Ein- und Ausschaltverluste um diesen Faktor.

Die oben dargestellte Schaltung ist für eine Leistung von 1000 W ausgelegt und die beiden Schalttransistoren haben einen Einschaltwiderstand von 80 mΩ. Die Ansteuerung und Regelung wurde diskret und analog aufgebaut, damit sich alle Betriebsparameter beeinflussen und einstellen lassen. Die in Bild 4b dargestellten Schwingungen nach dem Abschalten verursachen schwer zu filternde, hochfrequente Störungen, die einen großen Filteraufwand erfordern würden. Deshalb sind sie unbedingt zu vermeiden.