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Primärseitige Leistungsschalter mit GaN

Erweiterter Leistungsbereich

12. November 2019, 15:07 Uhr | Engelbert Hopf

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Probleme umgehen

Um alle diese Probleme zu umgehen, hat Power Integrations den PowiGaN-Schalttransistor zusammen mit dem ganzen Rest der Schaltung in einen hochintegrierten IC gepackt. Durch die Integration werden die parasitären Induktivitäten und Kapazitäten auf ein Minimum reduziert; dadurch lassen sich unerwünschte Oszillationen leichter verhindern. PowiGaN-ICs enthalten Treiber, die speziell auf den jeweiligen PowiGaN-Transistor abgestimmt sind und auf maximale Schaltgeschwindigkeit, minimale Störemissionen, maximalen Wirkungsgrad und Vermeidung von Oszillationen optimiert wurden. Im Fehlerfall ist die Schutzschaltung in der Lage, exzessive Ströme sehr schnell zu erkennen und die Schaltung sicher herunterzufahren. Die ICs enthalten zudem eine Start-up-Schaltung, die eine externe Biasing-Schaltung entbehrlich macht. Die PowiGaN-ICs nutzen eine spezielle Technologie zur verlustfreien Stromüberwachung, die einen externen Shunt-Widerstand überflüssig macht – bei diskreten GaN-Schalter-Implementierungen sind die Shunt-bedingten Leistungsverluste oft höher als die Durchlassverluste des Transistors. Die beschriebenen Vorteile erlauben es Entwicklern von Stromversorgungen, sich auf die vom Kunden geforderten Eigenschaften (elektrisch, thermisch, Formfaktor) zu konzentrieren, ohne sich um die Tücken der zugrunde liegenden GaN-Technologie Gedanken machen zu müssen.

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Was die Anwendung betrifft, unterscheiden sich die PowiGaN-basierten InnoSwitch3-ICs nicht von den herkömmlichen (Silizium-basierten) Typen der gleichen Familie. Schaltfrequenz, Transformatordesign, EMV-Filter, Biasing- und Synchrongleichrichter-Schaltungen sind für PowiGaN- und Silizium-Typen gleich. Designänderungen sind nur notwendig, um der höheren Leistung von PowiGaN-basierten Designs gerecht zu werden. PI Expert, die Software für den computerunterstützten Entwurf von Stromversorgungen, unterstützt sowohl MOSFET- als auch PowiGaN-basierte ICs. Der Benutzer braucht lediglich ein paar grundlegende Parameter einzugeben, die Software wählt dann die bestgeeigneten Bauteile aus und liefert einen kompletten Schaltplan einschließlich Dimensionierung der Magnetik-Bauteile sowie eine Stückliste.

Der kleinere R_DSON(MAX) und die geringeren Schaltverluste führen zu einem höheren Wirkungsgrad im Vergleich zu herkömmlichen, Silizium-basierten Technologien. Wie bei den anderen InnoSwitch3-ICs ist auch bei PowiGaN-basierten Designs der Wirkungsgrad über die gesamten Eingangsspannungs- und Lastbereiche so gut wie konstant. Die Bausteine eignen sich dadurch ideal für Anwendungen, die einen hohen mittleren Wirkungsgrad erfordern, sowie für Anwendungen, die eine einstellbare Ausgangsspannung erfordern (USB-PD und PPS).