Energieeffiziente Schaltungsdesigns Kühl, klein und schnell mit GaN

Energieeffizente Schaltungsdesigns für die hungrigen Rechenzentren, deren rechenintensive Datendienste immer mehr zunehmen.
Energieeffizente Schaltungsdesigns für die hungrigen Rechenzentren, deren rechenintensive Datendienste immer mehr zunehmen.

73 Milliarden Kilowattstunden an Energie werden die Rechenzentren in den USA laut einer Studie des Lawrence Berkeley National Laboratory im Jahr 2020 benötigen. Solange der Bedarf an rechenintensiven Datendiensten zunimmt, muss auf immer weniger Platz immer mehr Energie bereitgestellt werden.

Nicht nur Rechenzentren, sondern auch Telekommunikationsanwendungen, Anwendungen für die Automatisierungstechnik, Fahrzeuge und zahlreiche weitere Systeme erfordern Stromversorgungen mit hoher Energiedichte. Ein Weg zu einer effizienteren Stromversorgung führt über die Nutzung neuer Leistungshalbleiter-Technologien, zum Beispiel von Technologien auf GaN-Basis. Im Vergleich zu traditionellen Lösungen auf Silizium-Basis kann GaN prinzipbedingt mit besseren Schalteigenschaften punkten. In Schaltnetzteilen ermöglicht GaN einen höheren Wirkungsgrad als er bisher mit Silizium möglich war. Für den Endanwender bedeutet dies Energieeinsparung, niedrigere Betriebskosten und eine Verringerung des CO2-Ausstoßes.

Allerdings existieren auch bei GaN diverse technische Herausforderungen. In der Vergangenheit bereitete vor allem die Fertigung Schwierigkeiten und insbesondere die Fähigkeit, GaN mit der erforderlichen Qualität und Zuverlässigkeit herstellen zu können. Diese Herausforderungen konnten durch die Verbesserung der Fertigungsprozesse überwunden werden, sodass die Herausforderungen nun bei der Implementierung und dem Systemdesign liegen. Um eine höhere Effizienz zu erzielen, ist es nicht damit getan, Silizium einfach durch GaN zu ersetzen. Stattdessen müssen auch Änderungen auf System-Ebene durchgeführt werden. Mit GaN ist es möglich, die Anstiegsraten und Schaltfrequenzen zu erhöhen und die Ursachen für Leistungsverluste zu minimieren. Die aktuellen Design-Herausforderungen bieten immense Chancen für Produktinnovationen sowie für die Differenzierung von Produkten.

Mit seinen GaN-basierten Stromversorgungslösungen will Texas Instruments Systemdesignern die Möglichkeit geben, den Platzbedarf zu verringern und die Energieeffizienz zu steigern sowie den Designprozess zu vereinfachen.

GaN in Stromversorgungs-Systemen

Es hat mehrere Gründe, warum GaN für mehr Effizienz und eine hohe Leistungsfähigkeit in Stromversorgungen sorgt. Kurze Anstiegszeiten, niedrige Einschaltwiderstände und geringe Gate- und Ausgangskapazitäten senken die Schaltverluste und ermöglichen den Betrieb mit Frequenzen, die häufig um eine ganze Größenordnung über den Frequenzen heutiger, siliziumbasierter Lösungen liegen (Bild 1).

Geringere Verluste führen wiederum zu einer effizienteren Stromverteilung. Es wird weniger Wärme erzeugt und es kommen einfachere Kühllösungen in Frage. Darüber hinaus kann der Betrieb mit höheren Frequenzen positive Auswirkungen auf die Kosten der Gesamtlösung haben, weil sich Volumen, Gewicht und Materialbedarf der benötigten magnetischen Bauelemente verringern.

Die Anwendungen, die am meisten von den prinzipbedingten Vorteilen von GaN profitieren, sind Schaltnetzteile. Die Aufgabe eines Netzteils besteht darin, die Netzwechselspannung in eine nie¬drigere Gleichspannung umzuwandeln, die sich für die Versorgung oder das Aufladen von elektrischen Geräten wie Mobiltelefonen oder PCs eignet. Die Umwandlung erfolgt in mehreren Schritten. Im ersten Schritt wird in einem typischen Netzteil die Netzwechselspannung einer Leistungsfaktor-Korrekturstufe (Power Factor Correction, PFC) zugeführt, wobei eine hohe Zwischen-Gleichspannung von nominell 380 V entsteht. Im zweiten Schritt wird diese Spannung auf einen niedrigeren Wert (oftmals 48 V oder 12 V) reduziert. Dazu kommt ein Hochspannungs/Gleichspannungs-Wandler zum Einsatz.

Diese beiden als AC/DC-Stufen bezeichneten Abschnitte werden meist miteinander angeordnet und sorgen für Isolation. Die 12-V- oder 48-V-Ausgangsspannung des zweiten Wandlers wird an die verschiedenen Verbraucher (Point of Load, POL) im System verteilt, bei denen es sich um verschiedene Leiterplatten in einem Schaltschrank handeln kann. Als dritte Wandlerstufe folgen schließlich eine oder mehrere Gleichspannungswandler zur Erzeugung der von den einzelnen elektronischen Bauelementen benötigten Spannungen.

Bild 2 zeigt als Beispiel ein GaN-basiertes Netzteil mit 1 kW Leistung und macht deutlich, wie GaN die Leistungsdichte in allen drei Stufen, nämlich in der PFC-Stufe, im Hochspannungs/Gleichspannungs-Wandler und in den POL-Stufen verbessern kann. Bemerkenswert ist nicht nur die Tatsache, dass GaN zum Einsatz kommt, sondern vielmehr die Art und Weise, wie es genutzt wird.

Die PFC-, die Gleichspannungswandler- und die POL-Stufe sind nach wie vor vorhanden, aber die Stromversorgungs-Topologie in den einzelnen Abschnitten wurde verändert und so optimiert, dass eine möglichst hohe GaN-Leistungsfähigkeit erreicht wird.

In der PFC-Stufe (Bild 3) kommt eine Totem-Pole-Topologie zum Einsatz, die sich durch eine Kombination aus hoher Leistungsdichte, hohem Wirkungsgrad und niedrigen Verlusten auszeichnet, wie sie mit vergleichbaren Designs auf Siliziumbasis nicht auf praktikable Weise realisierbar wäre. Die PFC-Stufe erreicht einen Wirkungsgrad von über 99 %. Dadurch verringert sich die Verlustleistung gegenüber einer traditionellen Boost-PFC-Lösung mit Diodenbrücke um mehr als 10 W.

Die Hochspannungs/Gleichspannungs-Wandlerstufe beruht auf einem GaN-basierten, resonanten LLC-Wandler (Bild 4). Zwar ist die Verwendung von Silizium in LLC-Wandlern durchaus üblich, aber GaN ermöglicht eine Steigerung der Leistungsdichte um 50 % sowie eine Erhöhung der Schaltfrequenz um den Faktor 10. Ein GaN-basierter LLC-Wandler mit 1 MHz Schaltfrequenz ist weniger als ein Sechstel so groß wie ein Silizium-basiertes LLC-Design mit 100 kHz Schaltfrequenz. Die POL-Stufe bedient sich der schnellen Schalteigenschaften von GaN, um eine effiziente, hart schaltende, von 48 V direkt auf 1 V wandelnde Lösung zu implementieren. Während die meisten Silizium-Lösungen eine zwischengeschaltete vierte Stufe erfordern, um die 48 V zunächst in 12 V zu wandeln, ist mit GaN eine echte einstufige Umwandlung direkt in 1 V möglich. So reduziert sich mit GaN der Bauteileaufwand auf die Hälfte, während die Leistungsdichte um den Faktor drei zunimmt.