Primärseitige Leistungsschalter mit GaN Erweiterter Leistungsbereich

Im Juli 2019 präsentierte Power Integrations neue Mitglieder seiner Offline-CV/ CC-Sperrwandler-IC-Familie InnoSwitch3. Sie erreichen bis zu 95 % Wirkungsgrad über den vollen Lastbereich. Ermöglicht wird dies durch eine von PI entwickelten Hochspannungs-GaN-Schaltertechnologie (PowiGaN).

Warum GaN?

Die höchst erfolgreichen Sperrwandler-IC-Familien InnoSwitch3, InnoSwitch3-Pro und LYTSwitch-6 sind extrem energieeffizient und benötigen keinen Kühlkörper; sie eignen sich dadurch bestens als kompakte Stromversorgungselemente für Ladegeräte, Netzadapter, LED-Vorschaltgeräte und sonstige platzbeschränkte oder geschlossene Systeme ohne nennenswerten Kühlluftstrom. InnoSwitch-ICs nutzen PIs einzigartiges FluxLink-Regelkreissystem und zeichnen sich durch hervorragende Regelgenauigkeit und schnelle Reaktion auf Transienten aus. Zudem bieten sie ein ganzes Arsenal an Schutzfunktionen zum Schutz der Last und des IC vor Beschädigung im Falle eines Fehlers. Die ICs der Familie InnoSwitch3 eignen sich ideal für Anwendungen, die hohe Energieeffizienz, hohe Zuverlässigkeit, lange Lebensdauer, geringe Bauteilanzahl und kompaktes Layout erfordern. Typische Anwendungen sind USB-PD- und PPS-Schnelllade-Adapter, Konsumgüter, Haushaltsgeräte sowie industrielle Anwendungen.

Das hochentwickelte, flache InSOP-24C-Gehäuse dieser ICs erlaubt Ausgangsleistungen von 30 W bis 60 W und kommt dabei ohne Kühlkörper aus. Welche maximale Ausgangsleistung innerhalb dieses Bereichs im Einzelfall erzielbar ist, hängt vom jeweiligen Eingangsspannungsbereich und vom Formfaktor der Stromversorgung ab.

Schnellladegeräte mit höherer Ausgangsleistung, IoT-vernetzte Haushaltsgeräte, LED-Beleuchtungssysteme und industrielle Anwendungen erfordern eine leistungsfähige und zugleich kompakte Stromversorgung. Hierfür benötigt man primärseitige Leistungsschalter mit möglichst kleinem spezifischem RDS(ON) (Drain-Source-Widerstand im leitenden Zustand, pro Flächeneinheit) und größerer Energieeffizienz. Halbleiter mit großem Bandabstand (Wide Bandgap Semiconductors) bieten einen deutlich kleineren RDS(ON) pro Flächeneinheit als herkömmliche Halbleiter, plus signifikant geringere Schaltverluste; sie sind dadurch genau die richtige Antwort auf die steigenden Anforderungen der oben genannten Märkte.

Höhere Leistungsfähigkeit
dank Wide Bandgap

Galliumnitrid (GaN) ist ein Halbleitermaterial mit besonders großem Bandabstand, das die Herstellung von Schaltern ermöglicht, die im Vergleich zu Siliziumbauelementen sehr geringe Schaltverluste (sowohl beim Ein- als auch beim Ausschalten) aufweisen. Man kann fast behaupten, dass GaN-Schalter – im Gegensatz zu Silizium-MOSFETs – so gut wie keine Schaltverluste aufweisen.
Die Einschaltverluste bei GaN-Schaltern sind fast ausschließlich auf Internodal-Kapazitäten zurückzuführen – und die sind drastisch kleiner als bei Silizium-MOSFETs. Zu verdanken ist das ist den extrem kurzen Schaltzeiten von GaN-MOSFETs und der Tatsache, dass – bei gleichem RDS(ON) – GaN-MOSFETs wesentlich kleiner sind als Silizium-MOSFETs.

Vorteile von PowiGaN

Power Integrations hat eine fortschrittliche GaN-Schaltertechnologie (PowiGaN) entwickelt und für den Einsatz in seinen integrierten Power-Lösungen optimiert. PowiGaN-ICs im inSOP24C-Gehäuse können ohne Kühlkörper wesentlich höhere Ausgangsleistungen liefern als herkömmliche Lösungen und steigern die Gesamt-Energieeffizienz der Stromversorgung beträchtlich.

Große Herausforderungen bei diskreten GaN-Lösungen sind die Ansteuerung und der Schutz der Schalttransistoren. GaN-Halbleiter sind so viel schneller als Siliziumhalbleiter, dass selbst sehr kleine parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten im Signalweg – hervorgerufen durch die Gehäuse der diskreten GaN-Bauteile und durch Leiterbahnen – die Ansteuerung der Leistungsschalter erheblich erschweren. Entwickler haben zu kämpfen mit hohen Slew-Rates (dv/dt) und hochfrequenten Oszillationen beim Schalten, die Störemissionen hervorrufen, den Wirkungsgrad verringern und im schlimmsten Fall zur Zerstörung von Bauteilen führen können. Die hohe Schaltgeschwindigkeit von GaN-Schaltern macht es auch im Fehlerfall sehr schwierig, den Transistor zu schützen, da der Schaltstrom extrem schnell auf exzessive Werte ansteigen kann – bevor die Schutzschaltung die Möglichkeit hat, eine Beschädigung des Transistors zu verhindern.