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Energieeffiziente Schaltungsdesigns

Kühl, klein und schnell mit GaN

30. Januar 2019, 10:22 Uhr   |  Von Steve Tom, Masoud Beheshti und Johan Strydom


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

GaN in der Anwendung

Die Vorteile von GaN kommen nicht nur in Netzteilen zum Tragen. Auch Anwendungen können von der höheren Effizienz und Leistungsdichte profitieren, die mit GaN möglich ist. Die nachfolgend beschriebenen Applikationen gehören zu den Bereichen, in denen die Verwendung von GaN rapide zunimmt.

Motion-Control-Anwendungen

In Motoren für Roboter und andere industrielle Anwendungen sind nicht nur die Größe und der Wirkungsgrad der eingesetzten Komponenten wichtig. Es kommen auch noch weitere Faktoren ins Spiel. Beispielsweise gestattet die Integration von GaN-Bausteinen höhere PWM-Frequenzen; die geringeren Schaltverluste helfen bei der Ansteuerung von Permanentmagnet-Motoren und kollektorlosen Gleichstrommotoren von sehr geringer Induktivität. Diese Eigenschaften von GaN verringern außerdem die Drehmomentwelligkeit, wodurch eine präzise Positionierung bei Servoantriebs- und Schrittmotor-Anwendungen möglich wird. Daneben können GaN-basierte Hochgeschwindigkeitsmotoren mit hohen Spannungen arbeiten, zum Beispiel in Drohnen-Anwendungen.

Lidar-Systeme

Die Schmalbandanforderungen machen GaN-FETs und die zugehörigen Treiber zu idealen Komponenten in Lidar-Systemen. Häufig wird die Lidar-Technik mit selbstfahrenden Autos in Verbindung gebracht, obwohl sie auch in Robotern, Drohnen, Sicherheitsanwendungen und bei der Kartierung eingesetzt wird. Lidar-Systeme der nächsten Generation müssen eine deutlich höhere Reichweite und Auflösung erreichen, damit der Erfassungsbereich der Systeme vergrößert wird und die Objekterkennung verbessert wird. Die hohe Kapazität von GaN ermöglicht eine höhere optische Spitzenausgangsleistung in kürzeren Impulsen, was hochauflösenden Bildgebungsverfahren zugutekommt.

Hi-Fi-Audio-Anwendungen

Hochleistungsfähige Audioverstärker verlangen nach beinahe idealen Schaltsignalverläufen, um die Verzerrungen zu reduzieren. Denn die Oberschwingungen jeglicher unerwünschter Frequenz können im hörbaren Bereich negativ zur Geltung kommen. Dank eines effizienten Schaltvermögens mit hohen Flankensteilheiten und einem gut vorhersagbaren Schaltverhalten lassen sich mit GaN die harmonischen Verzerrungen verringern. Das Resultat ist eine bessere Audio-Qualität, bei der die Störungen auf höhere Frequenzen außerhalb des hörbaren Bereichs beschränkt werden können.

Das Design mit GaN

Das Design von Stromversorgungs-Systemen mit hohen Schaltfrequenzen bringt selbst für erfahrene Designer ganz neue Herausforderungen mit sich. Einsatzfertige Produktlösungen können dabei helfen, die Designzyklen deutlich abzukürzen. Texas Instruments bietet deshalb vollständige Leistungsstufen an, darunter Produkte für verschiedene Spannungspegel und unterschiedliche Anforderungen in der Leistungskette. Diese verfügen über integrierte Schutzfunktionen und werden in kompakten Gehäusen mit geringer Induktivität angeboten. Die GaN-FET-Treiber von Texas Instruments sowie die nahtlos mit den Treibern kombinierbaren, für hohe Schaltfrequenzen ausgelegten Analog- und Digital-Regler eignen sich außerdem für Entwickler, die ihr Stromversorgungssystem lieber aus einzelnen Komponenten aufbauen wollen.

Die GaN-Leistungsstufe LMG3410 (70 mΩ, 600 V, 12 A), bestehend aus einem GaN-FET und einem Treiber
© Texas Instruments

Bild 5. Die GaN-Leistungsstufe LMG3410 (70 mΩ, 600 V, 12 A), bestehend aus einem GaN-FET und einem Treiber.

Bei dem in Bild 5 gezeigten LMG3410 handelt es sich um eine einkanalige Leistungsstufe, die einen GaN-FET (70 mΩ, 600 V) und einen Treiber in einem Modul enthält. Dadurch lassen sich parasitäre Ströme reduzieren, die beim Design mit Stand-alone-Bauelementen Schwierigkeiten machen. Ins Modul eingebaut sind auch Übertemperatur-, Überstrom- und Unterspannungsschutz.

Für Anwendungen, die nach hocheffizientem Betrieb bei kleinen Abmessungen verlangen, empfiehlt sich der LMG5200 (Bild 6) als vollintegrierte Halbbrücken-Leistungsstufe. Die für 80 V und 10 A ausgelegte Lösung enthält einen Halbbrücken-Gate-Treiber sowie high- und low-seitige GaN-FETs. Der LMG5200 lässt sich sowohl mit Reglern wie dem TPS53632G für Gleichspannungswandler-Applikationen als auch mit digitalen Echtzeit-Mikrocontroller-Reglern für Audio- und Motorsteuerungs-Anwendungen verbinden.

Die GaN-basierte 80-V-/10-A-Halbbrücken-Leistungsstufe LMG5200 besteht aus einem Halbbrücken-Gate-Treiber sowie high- und low-seitigen GaN-FETs
© Texas Instruments

Bild 6. Die GaN-basierte 80-V-/10-A-Halbbrücken-Leistungsstufe LMG5200 besteht aus einem Halbbrücken-Gate-Treiber sowie high- und low-seitigen GaN-FETs.

Neben den passenden Komponenten sind geeignete Entwicklungswerkzeuge nahezu ebenso wichtig für die Vereinfachung des Designs. Mit Evaluierungsmodulen (EVMs) können Entwickler die Produkte im Betrieb erleben und auf diese Weise besser Entscheidungen treffen. Mit Referenzdesigns sind erprobte, fertige Schaltungen erhältlich, die als Grundlage für Anwendungen wie Radar, unterbrechungsfreie Stromversorgungen, Motorsteuerungen und Strommessung genutzt werden können.

Bereits jetzt lassen sich also mit Hilfe der GaN-Technik Systeme kompakter gestalten und der Wirkungsgrad verbessern. Die Einsparungen sind vor allem für Rechenzentren, Basisstationen und andere Systeme mit hoher Leistungsdichte von wesentlicher Bedeutung. Dass GaN für hohe Frequenzen geeignet ist, kommt außerdem der präzisen Ansteuerung von Motoren zugute und verbessert die Auflösung von Lidar- und Audiosystemen.

Die Autoren

Johan-Strydom von Texas Instruments
© Texas Instruments

Johan-Strydom von Texas Instruments.

Dr. Johan Strydom

ist Advanced Development Manager in den Kilby Labs für Hochspannung bei Texas Instruments. Zuvor arbeitete er als Applikationsingenieur, unter anderem bei Efficient Power Conversion Corporation, bei Linear Technology (jetzt Analog Devices), und International Rectifier (jetzt Infineon). Strydom promovierte 2001 an der Rand Afrikaans University, Südafrika.

Steve-Tom von Texas Instruments
© Texas Instruments

Steve-Tom von Texas Instruments.

Steve Tom

leitet die GaN-Produktlinie im Geschäftsbereich High Voltage Power von Texas Instruments. In dieser Position ist er dafür zuständig, den GaN-Markt durch innovative Produktentwicklungen sowie die Weiterentwicklung auf Systemebene voranzubringen. Tom arbeitete bei TI bereits auf unterschiedlichen Positionen im Bereich Power Management. Er begann seine berufliche Laufbahn bei Texas Instruments nach seinem Studium an der Universität Michigan, wo er mit einem Bachelor of Science und einem Master of Science abschloss.

Masoud-Behesht von Texas Instruments
© Texas Instruments

Masoud-Behesht von Texas Instruments.

Masoud Beheshti

ist bei Texas Instruments für die Technologiestrategie und das Marketing von Wide-Bandgap-Lösungen zuständig. Beheshti besitzt jahrelange Erfahrungen im Power-Management, die er in unterschiedlichen Tätigkeiten in den Bereichen Systemtechnik, Produktlinien-Management, Marketing und Anwendungs-Management erwarb. Er kann einen Bachelor-Abschluss in Elektrotechnik und einen Master of Business Administration in Marketing und Finanzen vorweisen.

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