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Alex Lidow, Efficient Power Conversion

»Wir können Silizium-MOSFETs nun direkt attackieren!«

25. September 2018, 14:00 Uhr | Ralf Higgelke

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Monolithisch integrierte Wandler werden kommen

Auf der APEC und der PCIM Europe werden viele Vorträge über Multilevel-Wandler gehalten. Sie sprechen darüber ja schon eine ganze Weile.

Stimmt, und das bringt mich zu einer Frage, die mir immer wieder gestellt wird: Wann bringen Sie 600-Volt-Bauteile heraus? Das müssen wir nicht, das verdanken wir David Perreault. Dieser brillante Wissenschaftler ist Professor am Massachusetts Institute of Technology und hat vor etwa fünf Jahren dieses Konzept der Multilevel-Wandler eingeführt.

Bei einer Wechselspannung muss man nicht immer mehrere hundert Volt sperren, sondern nur für eine relativ kurze Zeit; meistens ist die Spannung viel niedriger. In einer Multilevel-Topologie verwendet man also zum Beispiel nur ein 100-Volt-Bauteil, wenn man bis zu 100 Volt sperren muss, und zwei 100-Volt-Bauteile in Serie, wenn man eine Spannung zwischen 100 und 200 Volt sperren muss und so weiter.

Und da ist noch ein anderer Aspekt. Nehmen wir zum Beispiel unseren EPC2032. Dieser 100-Volt/48-Ampere-GaN-Transistor hat einen On-Widerstand von 4 Milliohm, während die besten 600-Volt-Superjunction-MOSFETs etwa 40 Milliohm für 50 Ampere haben. Wenn Sie also sechs unserer 100-Volt-Bausteine in Serie nehmen, haben Sie einen um 40 Prozent geringeren On-Widerstand als ein 600-Volt-Silizium-MOSFET.

Und das wiederum reduziert die Leitungsverluste um 40 Prozent. Das ist doch sehr signifikant, oder?

Sicher, aber das Regelungsschema für einen Multilevel-Wandler ist auch viel komplizierter.

Das ist der springende Punkt. Eine Multilevel-Topologie besteht aus mehreren Komponenten in einer Totem-Pole-Anordnung und einem komplizierten Steuerungskonzept, wobei die Ansteuerung der einzelnen Schalter sowie die Totzeit zeitlich sehr genau geregelt sein müssen. Das ist der Grund, weshalb diese Topologie noch nicht weit verbreitet ist. Mittlerweile ist das Regelungskonzept aber ausgearbeitet und wird allmählich verfügbar. Und wenn man das alles auf einem Chip mit der gesamten Ansteuerung integrieren kann, dann braucht es zusätzlich nur noch einen zehn Cent teuren 8-bit-Mikrocontroller, der das Ganze mit 500 Megahertz taktet. Aber es könnte noch zwei bis drei Jahre dauern, bis wir ein vollintegriertes Multilevel-Bauteil haben.

Und dann gibt es noch Switched-Capacitor-Wandler, die ebenfalls in Mode kommen.

Die magnetischen Komponenten sind die sperrigsten Teile eines Wandlers und die mit den größten Verlusten. Sie zu minimieren oder gar zu eliminieren erhöht die Leistungsdichte. Außerdem erreicht die technologische Entwicklung mittlerweile eine asymptotische Annäherung an die hundert Prozent Wirkungsgrad, sodass sich die Entwickler viel Mühe geben müssen, um den letzten Rest der Effizienzsteigerung noch herauszukitzeln. Vicor leistet hier unglaublich gute Arbeit, ihre Wandler sind fabelhaft konstruiert. Aber wenn man einen Blick reinwirft, so sieht man, dass ihre Topologien sehr komplex sind und beispielsweise Resonanzeffekte am Ein- und Ausgang ausnutzen. Dadurch erreichen sie diese hohen Wirkungsgrade. Mit Galliumnitrid können Sie dasselbe erreichen – allerdings mit einem simplen Tiefsetzsteller.

Aber was ist mit den elektromagnetischen Abstrahlungen bei diesen hohen Frequenzen?

In Wahrheit sind hohe Frequenzen vorteilhaft bei Funkstörungen, denn höhere Frequenzen lassen sich viel einfacher mit kleineren Filterkomponenten dämpfen. Zudem werden die größten Störungen beim Einsatz von Leistungstransistoren durch das Überschwingen durch die parasitären Induktivitäten verursacht. Wenn Sie die Streuinduktivitäten aber minimieren können, und das tun wir mit unseren Chip-Scale-Gehäusen und bei unseren Demo-Boards, dann haben Sie auch weniger Probleme mit der elektromagnetischen Störstrahlung.

Eine wichtige Voraussetzung für die Einführung neuer Technologien sind stets die Kosten. Aus Sicht der Lösung hat EPC bereits die Kostenparität zu Siliziumlösungen erreicht. Aber jetzt haben Sie den nächsten Schritt getan, oder?

Genau! Mittlerweile sind unsere aktuellen Gen5-Produkte auch aus Bauteilperspektive preisgünstiger als ein vergleichbares Siliziumbauteil mit gleicher Nennspannung und Einschaltwiderstand. Damit ist das letzte Argument zugunsten von Silizium-MOSFETs – die Bauteilkosten – vom Tisch, und wir können sie direkt in ihrem Heimatland angreifen. (lacht)

Und der nächste Schritt ist schon in Planung. Mit der siebten Generation werden wir von 6-Zoll- auf 8-Zoll-Wafer migrieren, was die Kosten nochmals deutlich senken wird.

Herr Lidow, herzlichen Dank für Ihre Zeit.

Das Interview führte Ralf Higgelke.