GaN-Transistoren in Stromversorgungen
Neue Stufe der Leistungsfähigkeit
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Ein Beispiel aus der Praxis
Bild 6 zeigt zwei LLC-Stromversorgungen – beide mit einer maximalen Ausgangsleistung von 3 kW aus dem Telekom-Bereich mit einer nominellen Ausgangsgleichspannung von 385 V. Beide Applikationen sind für einen hohen Wirkungsgrad ausgelegt, und ihre Effizienzkurven sind mit einem Spitzenwert von 98,3 % nahezu identisch. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die Stromversorgung links primärseitig Silizium-SJ-MOSFETs mit nominal 130 kHz und die Stromversorgung im Bild rechts 600-V-GaN-HEMTs und eine Schaltfrequenz von 350 kHz nutzten. Beide Stromversorgungen verfügen über Niedervolt-Silizium-FETs für die Gleichrichtung auf der Sekundärseite. Aufgrund der etwa dreifachen Betriebsfrequenz erreicht die GaN-Stromversorgung eine Leistungsdichte von 140 W/Zoll³ (8,5 kW/l) und damit auch fast dreimal so viel wie die Stromversorgung mit Standard-Silizium-Technologie mit 50 W/Zoll³ (3 kW/l).
Was kommt als Nächstes?
Um höhere Leistungsdichten zu erreichen, muss die Betriebsfrequenz deutlich erhöht werden – im Bereich MHz statt 100 kHz. Das ermöglicht eine weitere Miniaturisierung der magnetischen Komponenten, was eine Integration in die Leiterplatte möglich macht, sprich: die Integration der Wicklungen in die Leiterplatte und der Einsatz von planaren Kern-Strukturen, die maschinell eingefügt werden können. Die Einbettung der Wicklungen in die Leiterplatte reduziert Terminierungseffekte, die zu Hotspots bei konventionellen Magnetstrukturen führen. Terminierungseffekte treten auf, wenn sich der komplette AC-Strom in einem Verbindungspunkt zwischen dem magnetischen Baustein und der Leiterplatte summiert. Selbst wenn der Transformator mit Litzen gefertigt ist, muss er an einem Punkt gelötet werden. Dort kann dann der Skin-Effekt zu hohen Verlusten führen. Bei in die Leiterplatte eingebetteten Wicklungen können die Gleichrichter- und Kondensator-Komponenten praktisch direkt an den Wicklungen platziert und so Terminierungsverluste sowie Verluste durch parasitäre Impedanzen vermieden werden.
Diese Technologie kann für verschiedene Leistungsbereiche von wenigen Watt bis hin zu einigen kW eingesetzt werden. Bei höherer Leistung wird der Transformator üblicherweise in mehrere Segmente geteilt, wie ein Matrix-Transformator. Jedes Transformator-Element kann dann in Leistungsbereichen von bis zu 500 W oder mehr arbeiten. Die Komponenten auf der Primärseite werden in Serie platziert (um Strom-Sharing zu ermöglichen), während die Gleichrichter-Komponenten parallelgeschaltet sind, um den Strom aufzuteilen, wie man es auf dem ringförmigen Transformator-Paar in Bild 6 rechts sehen kann.
Für Stromversorgungen, die eine höhere Leistungsdichte erfordern, bieten GaN-HEMTs deutliche Vorteile. Sie unterstützen höhere Betriebsfrequenzen, ohne dabei die Schaltverluste zu steigern. In dem hier beschriebenen Beispiel für die LLC-Schaltung ermöglichen die GAN-HEMTs gegenüber Silizium-Superjunction-FETs eine 3-mal höhere Betriebsfrequenz ohne zusätzliche Verluste. Damit sind die Voraussetzungen geschaffen, um für die kommende Generation von Stromversorgungen die Leistungsdichte deutlich zu erhöhen.
Der Autor
| Eric Persson |
|---|
| ist bei der Infineon Technologies AG als Leiter des Bereichs GaN Application tätig. Er hat an der University of Minnesota studiert und dort mit einem Bachelor of Science in Electrical Engineering abgeschlossen. Das Studium vertiefte er anschließend mit den zwei Schwerpunkten Leistungshalbleiter und Passive Bauelemente. Er blickt auf insgesamt 35 Jahre Industrieerfahrung bei Leistungshalbleitern zurück. Rund 20 Jahre seiner beruflichen Laufbahn war er mit der Entwicklung von Strom- und Wechselrichtern beschäftigt. 15 Jahre verbrachte er im Bereich Application Engineering, zunächst bei International Rectifier und dann bei Infineon. |
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