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 3 .

Netzteil für Mobilfunk-Basisstationen

Das rasante Wachstum cloud-basierter Dienste wirkt sich nicht nur auf die Entwicklung von Rechenzentren aus, sondern auch auf die Telekom-Infrastruktur. Aufgrund des zunehmenden Datenverkehrs und der Nachfrage nach höherer Bandbreite werden Mobilfunk-Basisstationen als unverzichtbares Bindeglied zwischen der mobilen Welt und Hyperscale-Rechenzentren immer wichtiger. Da bestehende Standorte für solche Basisstationen im Zuge der Einführung von 5G dann mehrere Antennen bedienen müssen, rücken die Energieverteilung und die gesamte Leistungsaufnahme immer mehr in den Fokus.

In den letzten Jahren ist bei Telekom-Anwendungen die Energieverteilung mit einer Gleichspannung von 380 V immer beliebter geworden ist. Trotzdem wird der Großteil der Telekom-Ausrüstung immer noch mit 48 V gespeist – meist –48 V, um Korrosion zu verhindern. Im Gegensatz zu den in oben angesprochenen Server-Netzteilen weisen die Stromversorgungen im Telekom-Umfeld üblicherweise eine variable Ausgangsspannung im Bereich von 40 V bis 60 V auf und verwenden typischerweise keine ORing-MOSFETs, um hot-plug-fähig zu sein. Ein weiterer Unterschied besteht im Lastprofil. Netzteile in Telekom-Anwendungen laufen die meiste Zeit zwischen 30 % und 50 % ihrer Nennleistung, Stromversorgungen für Hyperscale-Server typischerweise im Bereich von 50 % bis 70 % ihrer Nennleistung. Dies führt zu unterschiedlichen Optimierungszielen mit einem stärkeren Fokus bei Mobilfunk-Basisstationen auf einen maximalen Wirkungsgrad im Bereich von 30 % bis 50 % der Nennlast.

Im Folgenden gehen wir der Frage nach, welche Leistungsdichte in einem 3-kW-Telekom-Netzteil mit GaN-HEMTs im Vergleich zur besten Siliziumlösung erreichbar ist. Die ausgewählten Topologien gleichen denen bei den Server-Netzteilen und bestehen aus einer Totem-Pole-PFC-Stufe, die entweder im CCM-Betrieb mit GaN-HEMTs oder im TCM-Betrieb mit Silizium-MOSFETs betrieben wird. Darauf folgt ein DC/DC-Wandler in LLC-Topologie. Für diesen Vergleich werden beide Systeme über mehrere Iterationen für einen maximalen Wirkungsgrad bei halber Nennleistung hin optimiert und bei nominalen Betriebsspannungen (Uin = 230 V; Uout = 48 V) bewertet.

Im GaN-Design sind alle Hochspannungsschalter GaN-HEMTs. Die Ausnahmen bilden die niederfrequenten Totem-Pole-Rückführungsschalter, jeweils Superjunction-MOSFETs aus Infineons CoolMOS-C7-Familie mit 17 mΩ Einschaltwiderstand (IPZ60R017C7). Die Niederspannungsschalter, die als Vollbrückengleichrichter auf der Sekundärseite der LLC-Stufe fungieren, sind jeweils OptiMOS-5-MOSFETs mit 80 V Sperrspannung (BSC030N08NS5), wobei bis zu drei Bausteine parallelgeschaltet sind. Damit der Systemvergleich zwischen den beiden 600-V-Technologien auch fair ist, kamen für die Hochspannungsschalter in der LLC-Stufe jeweils Produkte mit einem RDS(on) von 70 mΩ zum Einsatz, und zwar ein CoolGaN (IGT60R070D1) und ein CoolMOS CFD7 (IPW60R070CFD7).

Infineon Technologies
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Bild 12: Pareto-Front des gesamten 3 kW starken Telekom-Netzteils mit GaN- bzw. siliziumbasierten Hochspannungsbauteilen für eine eingangsseitige Wechselspannung von 230 V in und einer ausgangsseitigen Gleichspannung von 48 V, optimiert für halbe Nennleistung.

Zur Optimierung können bis zu drei Komponenten parallelgeschaltet werden, sodass die tatsächlichen RDS(on)-Werte 70 mΩ, 35 mΩ oder 23 mΩ betragen. Die zusätzlichen Stellschrauben ähneln denen, die im Abschnitt über Server-Netzteile weiter oben beschrieben sind. Dazu gehören zum Beispiel die Anzahl der HF-Zweige in der PFC-Stufe, die Anzahl der parallelen PFC- und LLC-Zweige, die Anzahl der Transformatoren, die in Matrixkonfiguration miteinander verbunden sind sowie die Schaltfrequenzen.

Die Ergebnisse der Optimierung zeigt Bild 12. Der Einsatz von GaN-HEMTs kann die Leistungsdichte in einen 3-kW-Telekom-Netzteil im Vergleich zu den besten Siliziumlösungen konstant um 0,1 % bis 0,3 % steigern. Leider spiegeln die Kurven nicht wider, dass das System mit GaN-Transistoren einfacher zu implementieren ist, denn die PFC-Stufe arbeitet hierbei im nichtlückenden Betrieb (CCM). Dadurch sinkt der Regelungs- und Messaufwand gegenüber der Implementierung der TCM-Modulation bei Silizium-MOSFETs. Dort ist es erforderlich, den Nulldurchgang des Stroms exakt zu erfassen um den negativen Stromanteil, der für das spannungslose Schalten erforderlich ist, entsprechend zu regeln.

Im Ergebnis zeigt sich ein klarer Systemvorteil für GaN-basierte Lösungen. Der Wirkungsgrad steigt um 0,3 %, während gleichzeitig die Komplexität deutlich sinkt. Dies gilt insbesondere für die PFC-Stufe, die bei dem Design mit GaN-Bausteinen bei fester Frequenz und CCM-Modulation arbeitet. Dabei ist die Stromwelligkeit (AC Ripple) relativ hoch. So ist um sichergestellt, dass die Transistoren über die sinusförmige Eingangsspannung und unterschiedliche Lastbedingungen zumindest teilweise spannungslos schalten.

Ein wesentlicher Unterschied der pareto-optimalen Designs mit Silizium- und GaN-Bauelementen im wirtschaftlich interessanten Bereich von 1,83 kW/l (30 W/Zoll³) bis 2,44 kW/l (40 W/Zoll³) liegt in der PFC-Stufe. Der TCM-Betrieb bei Silizium führt dazu, dass der Strom sehr wellig und der Effektivwert des Stroms in der PFC-Drossel hoch ist. Daher müssen zwei HF-Totem-Pole-Schaltungen verschachtelt werden, um die Welligkeit des Eingangsstroms zu reduzieren und das EMV-Filter zu verkleinern. Im Gegensatz dazu ist bei der CCM-geregelten PFC-Stufe bei GaN-Transistoren nur eine HF-Totem-Pole-Schaltung auf Systemebene nötig. Das macht diese Lösung kostengünstiger, beispielsweise lassen sich magnetische Komponenten einsparen.

In der LLC-Stufe erfordern die GaN-HEMT-basierten Designs einen geringeren Magnetisierungsstrom für weiches Schalten, gleichzeitig sinken die Verzögerungszeiten. Wahlweise lassen sich für den gleichen Magnetisierungsstrom auch mehrere parallele GaN-Schalter im System verwenden. In beiden Fällen reduzieren sich die Verluste in der LLC-Stufe mit GaN.

Nach der Optimierung profitieren sowohl silizium- als auch GaN-basierte Designs von einer zweistufigen Matrixtransformator-Konfiguration. Darüber hinaus liefert die Vollbrückengleichrichtung bessere Ergebnisse als mittig angezapfte Konfigurationen. Bei siliziumbasierten Designs liegt die Schaltfrequenz typischerweise bei 100 kHz, bei GaN-basierten Designs bei 150 kHz.

Zusammenfassung

Die durchgeführten Anwendungsstudien zeigen einen deutlichen Nutzen für selbstsperrende GaN-HEMTs in Hochleistungsdesigns. Diese ermöglichen es uns, sowohl die Grenzen des Wirkungsgrads als auch der Leistungsdichte nach oben zu schieben.

Diese Arbeit zeigt einen Weg zu einem Wirkungsgrad von 98,5 % bei 48-V-Servern und zu einer Leistungsdichte von bis zu 6,1 kW/l (100 W/in³) bei 12-V-Servern auf. Damit bieten sich große Einsparpotenziale bei den Betriebskosten (OPEX) und Investitionsaufwendungen (CAPEX). Es zeigte sich auch, dass sich bei GaN-Transistoren aufgrund ihrer Fähigkeit hart schalten zu können, einfachere Regelverfahren, wie den CCM-Betrieb in der PFC-Stufe, einsetzen lassen und gleichzeitig Performancevorteile gegenüber der am nächsten liegenden Siliziumalternative bieten.

Referenzen

[1] M. Kasper, D. Bortis, G. Deboy, and J. W. Kolar, Design of a Highly Efficient (97.7%) and Very Compact (2.2 kW/dm3) Isolated AC–DC Telecom Power Supply Module Based on the Multicell ISOP Converter Approach, in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 32, no. 10, pp. 7750-7769, Oct. 2017.

[2] F. Udrea, G. Deboy, and T. Fujihira, Superjunction Power devices, History, Development and Future prospects, Transactions on Electron Devices, Vol. 64, No. 3, March 2017, pp. 713-727.

[3] G. Deboy, O. Haeberlen, and M. Treu, Perspective of loss mechanisms for silicon and wide band-gap power devices, CPSS Transactions on Power electronics and applications, Vol. 2, No. 2, June 2017, pp. 89-100.

[4] D. Neumayr, D. Bortis, E. Hatipoglu, J. W. Kolar, and G. Deboy, Novel efficiency-Optimal Frequency Modulation for high power density DC/AC converter systems, 2017 IEEE 3rd International Future Energy Electronics Conference and ECCE Asia (IFEEC 2017 - ECCE Asia), Kaohsiung, 2017, pp. 834-839.

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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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