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GaN in Stromversorgungen

Welche Vorteile bietet GaN in Schaltnetzteilen?

24. Mai 2016, 10:15 Uhr | Michael Seeman

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Der Platz von GaN in der Stromversorgung

Gängige elektronische Geräte enthalten zumeist Schaltnetzteile, die nicht nur den Netzwechselstrom in Gleichstrom verwandeln, sondern zusätzlich auch die je nach Land zwischen 110 V und 240 V liegende Netzspannung in die von den Systemen benötigte Spannung von 12 V, 5 V, 3,3 V oder noch weniger umwandeln. Diese Funktionen sind typisch für Consumer-Elektronik und Datencenter. Die Schaltnetzteil-Technik wird jedoch auch für Gleichspannungswandler genutzt und kommt auch bei höheren Spannungen in Wechselrichtern für erneuerbare Energien zum Einsatz. Weitere Anwendungen sind die Kfz-Elektronik, industrielle Anlagen und weitere Arten von Hochleistungs-Systemen.

Den prinzipiellen Aufbau eines Schaltnetzteils zeigt Bild 1. Die eingangsseitige Spannung – oft handelt es sich um eine hohe Wechselspannung mit niedriger Frequenz – wird gleichgerichtet. Netzfilter verhindern, dass die im Netzteil entstehenden hohen Frequenzen in das Netz gelangen. Herzstück des Schaltnetzteils ist der mit hoher Frequenz schaltende Leistungsschalter, der die Gleichspannung in eine gepulste Spannung verwandelt. Der Ausgang des Schalters wird in die benötigte Spannung umgewandelt und so gefiltert, dass eine gleichmäßige Spannung entsteht, deren Höhe auf den Bedarf des versorgten Systems abgestimmt ist. Vom Ausgang wird ein Signal an den Regler zurückgeführt. Dieser erzeugt ein pulsweitenmoduliertes (PWM-) Signal für den Treiber, der wiederum den Leistungsschalter ansteuert. Je nach der Belastung des Ausgangs wird die Pulsweite dieses Treibersignals erhöht oder verringert.

Je nach den Anforderungen des Systems kommen unterschiedliche Designtopologien in Frage, für die die Leistungsschalter jeweils in unterschiedlicher Weise konfiguriert werden müssen. Die Palette reicht vom Aufwärtswandler (Boost Converter) mit einem FET über eine Reihe von Lösungen mit zwei FETs bis zu Vollbrücken-Wandlern mit vier FETs. Schalter und Treiber bilden einen höchst sensiblen Bereich des gesamten Designs, denn sie müssen sich exakt so verhalten, wie es der Regler verlangt, da das System sonst instabil wird. Wegen der kurzen Anstiegs- und Abfallzeiten der modulierten Spannungen können außerdem Störungen in die Rückkoppelschleife einstreuen, die dem System ebenfalls seine Stabilität nehmen können.

Alle am Netz betriebenen Systeme verlangen außerdem nach einer Isolation zwischen der Spannung, die aus dem Netz bezogen wird, und der am Ausgang abgegebenen Spannung. Dies bietet Sicherheit für die vom Netzteil gespeisten Systeme. Die hohe Schaltfrequenz des Leistungswandlers darf außerdem keine störenden Rückwirkungen in das Netz erzeugen. GaN-Bauelemente tragen der Forderung nach Isolation und nach möglichst geringen Netzrückwirkungen Rechnung, indem sie sich für höhere Schaltfrequenzen eignen. Diese höheren Schaltfrequenzen nämlich erlauben die Verwendung kleinerer Isolationsübertrager und Eingangsfilter.