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Active Clamp für höhere Leistungsdichte

Mehr Netzteil-Power mit GaN-Sperrwandlern

30. September 2020, 14:38 Uhr   |  Autoren: Edwin Kluter und Eric Moreau; Redaktion: Ute Häußler

Mehr Netzteil-Power mit GaN-Sperrwandlern
© Shutterstock

GaN als Wide Bandgap-Halbleiter erfüllt die Sehnsucht nach neuen Spitzenwerten in Effizienz und Leistung.

Leistungstransistoren auf Galliumnitrid-Basis (GaN) sind längst Standardbauteile. Leistungselektronik-Designs wie Netzteile können mit den hohen Wirkungsgraden mehr Power auf kleinerem Raum liefern. Doch wie wirkt sich der Einsatz von GaN-Leistungsschaltern auf Topologie und passive Komponenten aus?

Kommerzielle GaN-Leistungstransistoren sind inzwischen mit Leistungs- und Spannungs-Spezifikationen verfügbar, die sie für Konsumgeräte bis 100 W ebenso geeignet machen wie für Anwendungen in der Industrie und im Kommunikationsumfeld mit noch höheren Leistungen. Wo sonst Silizium-Superjunction-MOSFETs oder IGBTs zum Einsatz kämen, punkten GaN-Transistoren mit höherer Schaltgeschwindigkeit, vernachlässigbar geringen Schalt- und Leitungsverlusten sowie ihrer Eignung für hohe Betriebstemperaturen. Designer können damit Leistungswandler-Designs realisieren, die effizienter, kleiner und leichter sowie oftmals sogar kostengünstiger auf Systemebene sind – selbst wenn der Stückpreis eines GaN-Transistors über dem eines Siliziumtransistors mit ähnlicher Spannungsfestigkeit liegt.

Herstellern von Netzteilen ist es dank des Einsatzes von GaN-Transistoren für Konsumgeräte bereits jetzt möglich, außergewöhnliche Fortschritte in der Leistungsdichte zu erzielen. Zum Vergleich: Im Zeitraum von 1980 bis 2015 bewirkten Verbesserungen der siliziumbasierten Schaltnetzteil-Technik eine Anhebung der typischen Leistungsdichte von Netzteilen von 1,5 W/­in3 auf 10 W/in3. Allein seit 2015 führte die kommerzielle Einführung von GaN-Leistungstransistoren dazu, dass die Leistungsdichte der leistungsfähigsten Netzteile von 10 W/in3  auf 30 W/­in3 anwuchs. Um allerdings in einem Leistungswandler die Eigenschaften von GaN-Transistoren vollständig auszuschöpfen, müssen sich Designer grundsätzlich damit auseinandersetzen, welche Topologie sich am besten für die Technologie und die Anwendung eignet. Die Systemarchitektur eines auf einem Superjunction-MOSFET basierenden Wandlers unterscheidet sich meist deutlich von der eines Wandlers mit GaN-Transistoren.

Der Artikel zeigt ein neues Referenz­design für ein 60-W-Netzteil gemäß den neuesten USB-Power-Delivery- (PD-)Spezifikationen 3.0. Das Referenzdesign-Board profitiert im Beispiel von dem sehr hohen Wirkungsgrad der G-FET-GaN-Transistoren von Exagan, es kann in einem Gehäuse mit Innenmaßen von 36 mm x 34 mm x 30 mm angeboten werden und kommt auf eine Leistungsdichte von 29 W/in3.

Was unterscheidet GaN und Si-Superjunction?

Die Eigenschaften von Werkstoffen mit breiter Bandlücke wie GaN oder Siliziumkarbid (SiC) sorgen dafür, dass Leistungswandler-Systeme im Betrieb herausragende Eigenschaften erzielen. Doch ist der Unterschied zwischen einem kommerziellen GaN-Transistor und einem MOSFET auf Siliziumbasis wirklich so groß, dass der Designaufwand für den Umstieg auf die neuere Technologie gerechtfertigt ist?
Tabelle 1 zeigt die Unterschiede zwischen dem besten Silizium-Superjunction-Leistungs-MOSFET und einem GaN-Transistor. Allgemein bietet die Verwendung von GaN-Transistoren folgende Vorteile:

  • Hohe Schaltfrequenz
  • Weiches Schalten bei hoher Frequenz
  • Verlustarmes hartes Schalten
  • Geringe Leitungsverluste
  • Einfacheres Wärmemanagement

Allgemein gesprochen führt die mit GaN-Transistoren erreichbare höhere Effizienz der Schaltleistung dazu, dass sich die Bauelemente bei gleicher Last weniger erwärmen, sodass der Kühlkörper oder eine andere Wärmeableitung reduziert oder ganz weggelassen werden kann. So lässt sich der Wandler problemlos in ein kleineres Gehäuse mit reduziertem Luftdurchsatz einbauen. Der Betrieb mit höheren Schaltfrequenzen erlaubt zudem die Verwendung kleinerer induktiver Bauelemente und Kondensatoren, was nicht nur der Leistungsdichte zugutekommt, sondern auch die BOM-Kosten der passiven Bauelemente senkt.

 650-V-Si-Superjunction-MOSFET: normalisierte LeistungsfähigkeitVerbesserungsfaktor
eines 650-V-GaN-­TransistorsDesign-VorteileEinschaltwiderstand x Strom 1

 >10x

Kleinerer Chip, geringere LeitungsverlusteEinschaltwiderstand x Ausgangskapazität 1 >6xGeringere Schaltverluste bei hartem SchaltenSperrverzögerungsstrom  1 >40xGeringere Schaltverluste bei hartem SchaltenEinschaltwiderstand x Gate-Ladung 1 >10xGeringere TreiberverlusteTemperaturbedingtes Derating des Einschaltwiderstands 1 >1,2xKomponenten-
optimierung

Wie profitieren Applikationen in der Praxis?

Um bestmöglich von den genannten Betriebseigenschaften zu profitieren, müssen Systemdesigner prüfen, welche weiteren Betriebsarten mit einem GaN-Transistor möglich werden. In einem Netzteil gemäß USB PD 3.0 etwa muss sich das System an ein breites Lastspektrum anpassen, einschließlich des geringen Leistungsbedarfs von USB-Peripheriegeräten wie etwa Headsets. Das USB-PD-Protokoll unterstützt ein optimiertes, mehrere Peripheriegeräte abdeckendes Power-Management und stellt neben dem Stromversorgungs-kanal auch einen Kommunikationskanal zur Verfügung. Jedes Peripheriegerät kann daher genau die Leistung abrufen, die es tatsächlich benötigt. Im Idealfall kommt ein USB-Netzteil folglich über den gesamten Lastbereich auf einen hohen Wirkungsgrad.

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