GaN-HEMTs vs. Silizium-MOSFETs

Wie viel besser ist GaN wirklich?

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

Wie viel besser sind GaN-HEMTs als Silizium-MOSFETs? Diese Frage soll quantitativ am Beispiel von Netzteilen für Server und Mobilfunk-Basisstationen beantwortet werden. Hier zeigt sich auch, dass es auf die geschickte Wahl der Topologien, magnetischen Komponenten und Schaltfrequenzen ankommt.

Wide-Bandgap-Leistungshalbleiter mit ihren deutlich besseren Kennwerten werden immer verfügbarer. Dies wirft bei vielen Kunden einige fundamentale Fragen auf: Wie viel besser werden Systemlösungen auf Basis dieser Wide-Bandgap-Komponenten in Bezug auf Leistungsdichte und Wirkungsgrad? Inwieweit sind Lösungen auf Siliziumbasis zulasten komplexerer Topologien und Regelungskonzepte möglich? Der vorliegende Beitrag versucht, Antworten auf diese Fragen für zwei Anwendungsbereiche zu geben: Netzteile für Hochleistungsserver und Mobilfunk-Basisstationen. Bevor wir die Vorteile von GaN-HEMTs diskutieren, werfen wir einen Blick auf die jeweiligen Eigenschaften beider Komponenten.

Eigenschaften von GaN- und Si-Transistoren

Als laterale Bauelemente weisen GaN-HEMTs im Vergleich zu den vertikal aufgebauten Silizium-MOSFETs eine um eine Größenordnung geringere Gate- und Ausgangsladung auf. In Kombination mit einer verschwindend kleinen Rückwärtserholungsladung (Reverse Recovery Charge) lassen sie sich sehr gut aus dem rückwärts leitenden Zustand hart kommutieren. Damit unterstützen Schalter aus Galliumnitrid einfachere Topologien, und das Regelungsverfahren kann nahtlos zwischen weichem und (teilweise) hartem Schalten wechseln.

Zwar ist eine harte Kommutierung für siliziumbasierte MOSFETs in niedrigen und mittleren Spannungsklassen akzeptabel, aber Superjunction-MOSFETs, die führende Technologie in der 600-V-Klasse, eignen sich einen solchen Betrieb nicht, weil die Verluste und die Überspannungsspitzen in diesem Betriebsmodus zu groß sind.

Als nächstbeste Alternativen zum Einsatz von Wide-Bandgap-Bauteilen stehen dem Netzteilentwickler grundsätzlich folgende drei Optionen zur Verfügung:

Single-Ended-Topologien (z. B. Hochsetzsteller als PFC-Stufe),
Totem-Pole-Konfiguration mit siliziumbasierten Komponenten, wobei eine harte Kommutierung durch entsprechende Regelverfahren wie den Dreiecksstrombetrieb (Triangular Current Mode, TCM) unbedingt zu vermeiden ist,
Einsatz einer kaskadierten Wandlerarchitektur, die die Spannungsbelastung auf mehrere in Serie geschaltete Wandlerstufen aufteilt.

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Single-Ended-Topologien erreichen die Ziele beim Wirkungsgrad eher nicht, alternative Lösungen wie Dual-Boost die Vorgaben bei Leistungsdichte und Kosten. Auch wenn kaskadierte Lösungen bewiesen haben, dass sie sowohl die Zielvorgaben bei Wirkungsgrad und Energiedichte erfüllen können [1], so ist deren Regelung noch eine große Herausforderung. Dies führt dazu, dass dieses Konzept zur Zeit nur für Anwendungen im Hochleistungsbereich eingesetzt wird. All diese Überlegungen unterstreichen, warum der Einsatz von GaN-HEMTs in relativ einfachen brückenlosen Topologien wie der Totem-Pole Vorteile hat.

Der Einschaltwiderstand von Superjunction-MOSFETs wird seit über einem Jahrzehnt immer kleiner [2]. Dadurch sinken wiederum die Kapazitäten in den Bauteilen, sodass diese inhärent schneller schalten können. Bild 1 zeigt die Ausgangskapazität von drei aufeinanderfolgenden Generationen von Superjunction-MOSFETs im Vergleich zu einem GaN-HEMT vom Anreicherungstyp. Bild 2 zeigt die in der Ausgangskapazität gespeicherte Energie.

Obwohl die Ausgangskapazität von GaN bei niedrigen Spannungen deutlich niedriger ist, liegt die darin gespeicherte Energie relativ nahe an den Werten von Superjunction-MOSFETs. Da diese Energie bei hartem Schalten in jedem Schaltzyklus in Wärme umgesetzt wird, zeigt diese Kurve in Bild 2 bereits, dass GaN seine eigentlichen Vorteile in halbbrückenbasierten Schaltungen ausspielen kann, weniger in Single-Ended-Topologien. Bild 3 stellt die Ladung gegenüber, die in der Ausgangskapazität bei einem GaN-HEMT vom Anreicherungstyp und einem Superjunction-MOSFET gespeichert ist. Dies ist einer der Schlüsselparameter für sanfte Schaltübergänge.

Während in Single-Ended-Topologien die im Bauteil gespeicherte Energie E_OSS die Verluste bestimmt, sind bei Halbbrückenschaltungen die in der Ausgangskapazität gespeicherte Ladung und die Rückwärtserholungsladung entscheidend [3]. Während Superjunction-MOSFETs auf eine extrem niedrige Energie E_OSS hin optimiert sind, bieten GaN-HEMTs einen wesentlich günstigeren Wert bei der Ausgangsladung Q_OSS. Bemerkenswert ist, dass die erste GaN-Generation bereits eine Größenordnung besser ist als ihre Pendants aus Silizium.

Mit dem Aufkommen von cloud-basierten Diensten, künstlicher Intelligenz und Kryptowährung hat die Leistungsfähigkeit von Rechenzentren weltweit stark zugenommen. Da auch die Rechenzentren mit steigenden Strom- und Immobilienpreisen konfrontiert sind, zeichnet sich ein deutlicher Trend zu hocheffizienten, kompakten Server-Netzteilen ab. Sie reduzieren nicht nur die Leistungsaufnahme der Server, sondern auch deren Abwärme und die Folgekosten, z.B. für die Klimatisierung.

Typischerweise bestehen moderne Hochleistungsnetzteile aus zwei Teilen: einer brückenlosen oder teilweise brückenlosen PFC-Stufe in Totem-Pole-Konfiguration und nachgeschaltet einem resonanten DC/DC-Wandler in LLC-Topologie (Bild 4). Bei einer Ausgangsspannung von 12 V wird typischerweise ein mittig abgegriffener Übertrager verwendet, während bei 48-V-Systemen eine Vollbrückengleichrichtung bessere Ergebnisse liefert. Folgende Tabelle zeigt die Spezifikation für das Netzteil, das als Grundlage für die nachfolgende Optimierung dient.