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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 2

Welche Vorteile bietet GaN in Schaltnetzteilen?

In Leistungsschaltern bietet GaN gegenüber Si gravierende Vorzüge, da es einen verlustärmeren Betrieb bei höheren Spannungen ermöglicht. Außerdem benötigen GaN-Halbleiter weniger Energie zum Ein- und Abschalten. Auch bei den Si-Schaltern wurden im Lauf der Jahre umfangreiche Verbesserungen erzielt. Bei gleicher Größe bietet GaN bei hohen Spannungen jedoch entscheidende Vorteile, mit denen Si kaum wird gleichziehen können. Zurzeit sind Si-MOSFETs gegenüber GaN kostenmäßig noch deutlich im Vorteil. Dieser Vorsprung wird aber mit den Jahren schrumpfen.

Es gibt GaN-Schaltbausteine für ein breites Spektrum von Betriebsspannungen. Leistungselektronik-Designer können mit ihnen die Abmessungen ihrer Lösungen verringern, indem sie die Schaltfrequenzen anheben, ohne den angestrebten Wirkungsgrad aufzugeben – all dies zudem über einen großen Bereich von Ein- und Ausgangsspannungen. Am nützlichsten ist GaN tendenziell überall dort, wo die Stromversorgungs-Lösung so weit wie möglich miniaturisiert werden muss.

Der grundsätzliche Aufbau eines GaN-Transistors ist in Bild 2 zu sehen. Wie schon erwähnt, befindet sich das GaN-Material auf einem Si-Substrat. Dies bietet die Möglichkeit, einerseits auf die jahrzehntelange Erfahrung mit der Herstellung von Si-Bauelementen zurückzugreifen und andererseits die Vorteile von GaN zu nutzen. Ein Vorteil ist das Ergebnis der größeren Bandlücke.

Dass Halbleiter eine besondere Materialgruppe bilden, liegt an der Breite ihrer Bandlücke und somit an der Größe des Spannungssprungs, der erforderlich ist, um den Werkstoff von einem Isolator zu einem Leiter zu machen. Mit 3,2 eV (Elektronenvolt) weist GaN eine beinahe dreimal so breite Bandlücke auf wie Si. Theoretisch resultiert aus der breiteren Bandlücke eine verbesserte Leistungsfähigkeit bei hohen Temperaturen, da das Material erst bei einer höheren Temperatur zu einem Leiter wird. Diese Eigenschaft kann in der Zukunft die Leistungsfähigkeit von GaN in Automotive- und Industrie-Anwendungen und anderen Einsatzumgebungen mit hohen Temperaturen verbessern.

Die GaN-Lernkurve beim Design von Schaltnetzteilen

Ungeachtet ihrer vielen Vorteile beginnt die GaN-Technologie gerade erst Eingang in Netzteil-Anwendungen zu finden. Die bisherige Verwendung von GaN in LEDs und Drahtlos-Applikationen konnte den Eindruck erwecken, die Technologie sei auch für den Einsatz in Stromversorgungen bereit. Tatsächlich aber war noch viel Entwicklungsarbeit am Prozess und den Bauelementen nötig, um GaN in Leistungs-FETs einsetzen zu können. Die Produktentwicklung hat sich hierdurch verzögert. Unterschiede der neuen FETs gegenüber ihren Vorgängern auf Si-Basis haben IC-Anbieter und Systemdesigner außerdem veranlasst, mit Sorgfalt vorzugehen und die Komplexitäten des Designs eine nach der anderen anzugehen. Traditionelle GaN-Bauelemente sind selbstleitend, d. h. in Grundstellung eingeschaltet (Verarmungs-Modus), während Si-MOSFETs als Anreicherungstypen normalerweise ausgeschaltet (selbstsperrend) sind. Um Bauelemente für den direkten Ersatz von Si-MOSFETs anbieten zu können, modifizierten die Hersteller von GaN-FET-Schaltern ihre Produkte entweder so, dass sie im Anreicherungs-Modus arbeiteten, oder sie verwendeten eine Serienschaltung mit einem weiteren Schalter, um die selbstsperrenden Eigenschaften bieten zu können.

Einen Si-MOSFET durch einen GaN-FET zu ersetzen, ist allerdings nur der erste Schritt des Redesigns. Die Eignung der GaN-Transistoren für höhere Frequenzen verlangt nämlich nach einem zeitlich präziseren Treibersignal. Außerdem sind die Schalter überaus sensibel gegenüber parasitären Impedanzen des Gehäuses, der Verbindungsleitungen und externer Quellen. Integrierte Si-basierte GaN-Treiber, die die GaN-Schalter mit hoher Geschwindigkeit ein- und ausschalten, haben dazu beigetragen, das Design GaN-bestückter Schaltnetzteile voranzubringen. Ausgereifte Si-Prozesse ermöglichen die Entwicklung dieser extrem präzisen, für hohe Frequenzen abstimmbaren Treiber.

Zum Beispiel wurde der Gatetreiber LM5113 von TI speziell entwickelt, um high- und low-seitige Anreicherungs-Leistungsschalter auf GaN-Basis bei mittelhohen Spannungen anzusteuern. In die Gatetreiber sind sämtliche Bauelemente integriert, die zur Performance-Optimierung der GaN-Schalter benötigt werden. Diese Integration verringert nicht nur die Leiterplattenfläche, sondern trägt auch zur Vereinfachung des Designs bei. Der Baustein sorgt nicht nur für eine Ansteuerung mit hochpräzisem Timing und minimaler Verzögerung, sondern enthält auch Schutzfunktionen für einen effizienten und präzisen Betrieb des GaN-Schalters. Zum Beispiel sorgt das Bootstrap-Clamping dafür, dass die Gate-Source-Spannung in einem sicheren Bereich bleibt. Ein hohe Ströme verkraftender Pull-down-Widerstand verbessert die Immunität gegen steile Spannungsspitzen und verhindert eine unbeabsichtigte Aktivierung des Low-Side-Transistors. Unabhängige Quellen- und Senken-Anschlüsse erlauben das Optimieren der Ein- und Abschaltzeiten, um maximale Effizienz und geringes Rauschen zu erzielen. Schließlich sorgt die Anpassung der kurzen Signallaufzeiten für optimierte Totzeiten, wenn sich der Schalter in der Übergangsphase befindet.