Schwerpunkte

Active Clamp für höhere Leistungsdichte

Mehr Netzteil-Power mit GaN-Sperrwandlern

30. September 2020, 12:38 Uhr   |  Autoren: Edwin Kluter und Eric Moreau; Redaktion: Ute Häußler


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

... Fortsetzung

Bei der Entwicklung eines neuen Referenzdesigns für 60-W-USB-Netzteile untersuchte Exagan zwei Sperrwandler-Topologien, die im Zusammenhang mit Silizium-MOSFETs häufig eingesetzt werden, den nicht-lückenden Betrieb (Continuous Conduction Mode, CCM) und den Quasiresonanz- bzw. primärseitig geregelten Betrieb (QR / PSR). Beide Varianten kommen auf eine deutlich geringere Energieeffizienz als eine ebenfalls untersuchte dritte Topologie. Es handelt sich um einen Aufbau mit Sperrwandlern mit aktiver Begrenzung (Active Clamp), der sich mit einem GaN-Transistorpaar effektiv implementieren lässt. Tabelle 2 zeigt eine Übersicht der Eigenschaften der drei Topologien.

Sperrwandler Future Electronics
© Future Electronics

Tabelle 2. Vergleich von Sperrwandler-Topologien für Netzteile bis 100 W.

Die Sperrwandler-Topologie mit aktiver Klemmung ist von der Schaltung her eindeutig komplexer als die QR- oder CCM-Topologie. Der höhere Bauteileaufwand wird jedoch dadurch aufgewogen, dass keine Maßnahmen zur Eindämmung der elektromagnetischen Interferenzen (EMI) erforderlich sind, da das sanfte Schalten der Active-Clamp-Sperrwandlerschaltung nur geringe elektromagnetische Störungen erzeugt. Das Bauteil lässt sich entweder im Spannungs-Nulldurchgang (Zero-Voltage Switching, ZVS) oder auch im  Strom-Nulldurchgang (Zero-Current Switching, ZCS) schalten.

Der Hauptgrund, sich bei einem USB-PD-Netzteil für die Sperrwandler-Topologie mit aktiver Begrenzung zu entscheiden, ist der sehr hohe Wirkungsgrad. Dies erleichtert nicht nur die Einhaltung strikter Energieeffi­zienz-Normen wie etwa den Level-VI-Vorschriften des US-Energieministeriums, sondern minimiert auch die verlustbedingte Wärmeentwicklung. Ein lüfterloser Betrieb ohne Kühlkörper wird dadurch in einem kleineren Gehäuse möglich. Der Durchbruch hinsichtlich der Leistungsdichte, den das  60-W-USB-PD-Referenzdesign im Beispiel erreicht, ermöglicht es, ein neues, kompakteres Format für USB-Netzteile zu realisieren. Damit wird der Wunsch der Konsumenten nach immer kleineren und leichteren Geräten und Zubehörteilen erfüllt. Als positiver Nebeneffekt sorgt ein kompakteres Endprodukt dafür, dass sich die Material- und Versandkosten der Hersteller verringern.

Mehr Leistung für USB-Netzteile

Bestätigt wird der Vorteil von GaN-Transistoren und der Active-Clamp-Sperrwandler-Topologie durch die Leistungseigenschaften der referenzierten 60-W-USB-PD-Netzteilplatine (Bild 1). An einer Eingangsspannung von 90 V bis 265 V AC liefert das Board einen Laststrom von 3 A bei den gemäß USB PD spezifizierten Ausgangsspannungen von 5 V, 9 V, 12 V oder 20 V DC.

Die Platine enthält einen RM8-Transformatorkern mit planarer Wicklung sowie einen Mikrocontroller, der für die zyklusweise Stromregelung der Active-Clamp-Sperrwandlerschaltung zuständig ist. Zudem sind Active-Clamp-Sperrwandler in den meisten Fällen mit umfassenden Schutzfunktionen ausgestattet:

  • Überstromschutz am Ausgang
  • Verpolungsschutz am Ausgang
  • Überspannungsschutz am Eingang
  • Überhitzungsbedingte Abschaltung für jeden Transistor einzeln.
Sperrwandler Future Electronics
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Bild 1. Ansicht einer GaN-basierten 60-W-USB-PD-Netzteilplatine.

Verglichen mit einem typischen 60-W-USB-PD-Design auf der Basis von Silizium-Superjunction-MOSFETs erreicht das GaN-basierte Referenz-Netzteil um die Hälfte weniger Leitungsverluste und eine Verbesserung der Leistungsdichte um den Faktor 3. Der System-Wirkungsgrad erreicht ein Maximum von 95 % bei Volllast und einer Eingangsspannung von 240 V AC.

Der höhere Wirkungsgrad und die geringeren Verluste führen außerdem zu einer sehr guten thermischen Effizienz: die 650-V-G-FET-Schalter erwärmen sich um 10 bis 15 °C weniger als die Silizium-Superjunction-MOSFETs vergleichbarer Netzteil-Designs (Bild 2).

Die durchgeführten Tests ergaben, dass sich Silizium-Superjunction-MOSFETs in einem größeren Design mit einer Leistungsdichte von 17 W/in3 auf 86 °C erwärmen, in einem kompakteren Design mit einer Leistungsdichte von 27 W/in3 dagegen auf 89 °C. In einem Design, das mit einem GaN-Transistor eines anderen Herstellers bestückt war, erwärmte sich der Schalter auf 74 °C, also um 4 °C mehr als der referenzierte Low-Side-G-FET-GaN-Sperrwandler. Letzteres macht einen der entscheidenden Vorteile des G-FET-GaN-Transistors deutlich: die besonders geringen Schalt- und Leitungsverluste sorgen dafür, dass weniger Verlustwärme entsteht.

Sperrwandler Future Electronics
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Bild 2. Wärmebild des Referenz-Boards bei 3 A Laststrom und 20 V Ausgangsspannung.

Einfache Implementierung ohne extra Treiber

Ein G-FET-Transistor kann außerdem vergleichsweise einfach in Stromversorgungs-Designs implementiert werden, da er sich im Gegensatz zu anderen GaN-Transistoren durch konventionelle, für Silizium-MOSFETs gedachte Treiber ansteuern lässt und mit einem herkömmlichen, analogen Gatetreiber-Signal von 10 V auskommt. Es gibt keine Leck-Phänomene am Gate, und der Wandler muss nicht mit einer negativen Spannung in den Aus-Zustand gezwungen werden. Das robuste Gate verkraftet außerdem Spannungen bis zu ±20 V.

Ein weiterer G-FET-Vorteil: meist benötigen GaN-Transistoren einen speziellen Treiber-IC, womit die Bauelemente-Auswahl eingeschränkt ist und sich die Materialkosten erhöhen.

Das gezeigte 60-W-USB-Netzteil demonstriert, wie sich eine von einer hohen Leistungsdichte gekennzeichnete Schaltung auf Basis eines Standard-GaN-Transistors auch ohne extra Treiber-IC realisieren lässt. Kommerzielle USB-Netzteile mit diesem Design können mit allen genannten Eigenschaften und Design-Vorteilen bis zu 29 W/in3 erreichen. UH

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Eric Moreau

 

Die Autoren

 

Eric Moreau

ist Leiter des Produkt- und Anwendungsbereiches bei Exagan in Kanada. Er hat einen Abschluss als Elektronik-Ingenieur der École ­d‘Ingénieur Paris und über 25 Jahre Erfahrung in der Systementwicklung, dem Testing und der Produktqualifizierung  mit Silizium und weiteren Halbleitern.

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Edwin Kluter

 

Edwin Kluter

ist Business Developement Manager bei Future Electronics in den Niederlanden. Er bringt 20 Jahre Erfahrung in der Elektronikindustrie mit und hält einen Bachelor der Informationstechnologie & Elektronik der Hanzehogeschool Groningen sowie einen MBA für Halbleiter der Ashridge Business School.

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