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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 3

Systemlösungen für GaN-basierte Schaltnetzteil-Designs

Im Verbund mit schnellen und präzisen Power-Management-Funktionen haben GaN-Gatetreiber erhebliche Fortschritte im Design GaN-basierter Schaltnetzteile angestoßen. Allerdings können die Gatetreiber nur einen eingeschränkten Optimierungsgrad bieten. Selbst kürzeste Leiterbahnen zwischen Treiber und GaN-Schalter verursachen Verzögerungen, die in jedem Design unterschiedlich hoch ausfallen.

Künftige IC-Lösungen werden die Variabilitätsprobleme, die aus dem Layout und dem Design passiver Bauelemente resultieren, in den Griff bekommen müssen, da sie von größter Wichtigkeit für die Kopplung von Treiber und Schalter sind. Da beide Bausteine auf Werkstoffen mit stark differierenden Eigenschaften beruhen, dürften sie sich in naher Zukunft kaum wirtschaftlich in einen Chip integrieren lassen. Ein Single-Package-Modul (Bild 3), das die FETs, den Treiber und die passiven Bauteile enthält, würde jedoch die Leiterplattenfläche und den Bauteileaufwand eines Schaltnetzteils deutlich verringern. Die Größenreduzierung hätte zudem niedrigere Herstellungskosten für das System zur Folge und würde die Effizienz des GaN-basierten Designs steigern.

Ebenso wichtig wie das Verkleinern der Lösung ist es, die Designkomplexität zu verringern. Ein aus Treiber und Schaltern bestehendes Modul würde die Länge der Verbindungen zwischen den Chips auf das kürzest mögliche Maß reduzieren und damit auch die Signallaufzeiten und parasitären Impedanzen minimieren, die den gepulsten Ausgang des Schalters verzerren. Ein gut durchentwickeltes Modul könnte die parasitären Elemente eines MultiChip-Designs entscheidend – nämlich zum Teil um eine ganze Größenordnung oder mehr – verringern.

Ein weiterer wichtiger Faktor bei der Realisierung von Systemlösungen ist der Controller/Regler, der die mit GaN möglichen höheren Frequenzen unterstützen muss. In Echtzeit hat er auf Änderungen der Ausgangsspannung zu reagieren. Überdies muss die zeitliche Auflösung den an die Pulsweite gestellten Genauigkeitsanforderungen gerecht werden, um die Leitungsverluste während der Totzeit zu minimieren. Glücklicherweise gibt es digitale Power Controller, die diese Anforderungen erfüllen. Die Bausteine warten mit mehr Performance auf und bieten zusätzliche I/O-Funktionen, die sich an anderer Stelle im System nutzen lassen. TI verfügt über fundiertes Know-how in der digitalen Leistungsregelung. Kombiniert mit der Stromversorgungs-Technologie des Unternehmens entstehen Systemlösungen für die Regelung und das kontrollierte Schalten von GaN-Bausteinen.

An GaN-basierte Designs anzupassen sind auch die magnetischen Bauelemente, die bislang noch auf die mit Siliziumtechnik möglichen Frequenzen abgestimmt sind. TI kooperiert mit Netzteilherstellern und GaN-Forschungsinstitutionen, um bei den Herstellern entsprechende magnetische Bauelemente nachzufragen. Viel hängt hier jedoch vom Markt ab. Mit wachsender Verfügbarkeit und Stückzahl der GaN-Leistungshalbleiter werden die Hersteller magnetischer Bauelemente von ihren Kunden in großem Umfang aufgefordert werden, Produkte für die GaN-Technologie anzubieten. Sobald diese Voraussetzungen erfüllt sind, wird die Industrie die von GaN gebotenen Vorteile in vielen Stromversorgungs-Anwendungen nutzen können.