Schwerpunkte

GaN-HEMTs vs. Silizium-MOSFETs

Wie viel besser ist GaN wirklich?

02. Mai 2019, 10:30 Uhr   |  Dr. Gerald Deboy und Dr. Matthias Kasper, Infineon


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Designbeispiel 12-V-Servernetzteil

Derzeit nutzen die meisten Rechenzentren Motherboards mit einer Gleichspannungsversorgung von 12 V. In der herkömmlichen Architektur stellt eine USV im Notfall die Stromversorgung im gesamten Rechenzentrum für zwei unabhängige AC-Verteilungssysteme sicher. In einem klassischen Serverboard arbeiten zwei Netzteile redundant, wobei jedes dieser Netzteile ausreicht, um den vollen Leistungsbedarf der angeschlossenen Last zu decken.

Ziel ist es, die Betriebskosten (OPEX) zu senken und die Nutzlast pro Rack zu steigern. Dadurch sinken insgesamt auch die Investitionsausgaben (CAPEX). Um das zu erreichen, müssen zwei wichtige Punkte verändert werden:

  • Energie ist lokal auf Rack-Ebene zu speichern, um die USV vom Stromfluss zu entkoppeln.
  • Statt Stromversorgungen je Server sollten Rack-Netzteile zum Einsatz kommen, um die Redundanz von 1+1 auf n+1 zu reduzieren und so Kosten zu sparen.

Beide Trends fördern eine höhere Ausgangsleistung bei gegebenem Formfaktor. Daher liegt der Schwerpunkt dieser Studie auf der Analyse der Vorteile von GaN-HEMTs in Bezug auf die Leistungsdichte.

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© Infineon Technologies

Bild 5: Systemwirkungsgrad und Leistungsdichte der PFC-Stufe des 12-V-Servernetzteils bei GaN- bzw. silizium-basierten Leistungskomponenten nach der Optimierung.

Dabei kommt eine brückenlose Topologie zum Einsatz – in diesem Fall die Totem-Pole-Konfiguration – sowohl für Siliziumschalter als auch für GaN-HEMTs. Bei Siliziumbauteilen muss der Betrieb im Dreieckstrommodus (TCM) jederzeit gewährleistet sein, während bei den GaN-HEMTs verschiedene Modulationsverfahren zur Verfügung stehen. Da GaN-Schalter sowohl hart als auch weich schalten können, können die Entwickler die Totem-Pole-Schaltung im nichtlückenden Betrieb (Continuous Conduction Mode, CCM), im Dreieckstrommodus (TCM) oder im optimalen Frequenzmodus (OFM) betreiben. OFM bedeutet, dass das Netzteil in dem nahtlosen Übergang zwischen hartem und weichem Schalten über eine Netzperiode in Abhängigkeit vom Leistungsniveau und/oder der Netzspannung arbeitet [4].

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Bild 6: Systemwirkungsgrad und Leistungsdichte der LLC-Stufe des 12-V-Servernetzteils bei GaN- bzw. silizium-basierten Leistungskomponenten nach der Optimierung.

Bild 5 zeigt die Ergebnisse der Optimierung für eine siliziumbasierte Totem-Pole-Gleichrichterstufe (einschließlich des EMV-Filters) im TCM-Betrieb einerseits und einer GaN-basierten Totem-Pole-Stufe mit TCM- oder CCM-Betrieb andererseits. Beide Systeme sind auf einen maximalen Wirkungsgrad bei halber Nennleistung hin optimiert und wurden bei nominaler Eingangsspannung betrieben. Dabei wurden auch die Volumina der Leistungselektronik, der Leiterplatte und der zusätzlichen Luft zwischen den Komponenten miteinander verglichen. Ausgenommen sind das Gehäuse sowie die Regelungs- und Hilfselek-tronik. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass die GaN-basierten Designs eine höhere Leistung erzielen, insbesondere bei höherer Leistungsdichte.

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Bild 7: Systemwirkungsgrad und Leistungsdichte des gesamten 12-V-Servernetzteils bei GaN- bzw. silizium-basierten Leistungskomponenten nach der Optimierung.

Eine Analyse dieser Designs zeigt, dass der TCM-Betrieb einen kleinen Vorteil gegenüber dem nichtlückenden Betrieb (CCM) speziell im Bereich höchster Leistungsdichte hat. In ähnlicher Weise wurde eine LLC-Stufe für Silizium- und GaN-Halbleiter optimiert (Bild 6). Wie man sieht, verbessert GaN den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte gleichzeitig.

Bild 7 zeigt abschließend das Optimierungsergebnis für das Gesamtsystem. Dieses enthält alle leistungselektronischen Komponenten, die Hilfselektronik, die Leiterplatte und 20 % des zusätzlichen Volumens, mit dem die nicht ideale Platzierung der Komponenten berücksichtigt wurde. Stecker und Gehäuse mit Abstandshalter sind nicht inbegriffen.

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Bild 8: Wirkungsgradkurve des hochdichten GaN-Servernetzteils im Vergleich mit der eines modernen siliziumbasierten Designs.

Das Ergebnis zeigt deutlich einen Weg auf, um 3 kW in einem gegebenen Formfaktor wie dem 68 mm × 41 mm × 184 mm großen Flex-Slot liefern zu können. Im Vergleich zu Standardlösungen mit 1,6 kW in diesem Formfaktor verdoppelt sich nicht nur die Leistung fast, sondern der Wirkungsgrad steigt im oberen Leistungsbereich um etwa vier Prozentpunkte. Dadurch bleiben die absoluten Verluste im Netzteil bei Volllast trotz doppelter Ausgangsleistung nahezu konstant (Bild 8).

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1. Wie viel besser ist GaN wirklich?
2. Designbeispiel 12-V-Servernetzteil
3. Designbeispiel 48-V-Servernetzteil
4. Netzteil für Mobilfunk-Basisstationen

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