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Entwicklung von Stromversorgungen

In Zukunft wohl eher GaN- als SiC-MOSFETs

19. Februar 2014, 12:43 Uhr | Engelbert Hopf

Kompaktere Form, höhere Energieeffizienz und längere Lebensdauer, das sind die drei Hauptforderungen, mit denen sich Stromversorgungsentwickler konfrontiert sehen. Neuerungen im Bereich passiver Bauelemente und der Leistungshalbleiter könnten ihnen in Zukunft sehr interessante Lösungen ermöglichen.

Wer beim Einsatz von Stromversorgungslösungen nicht vor proprietären Lösungen zurückschreckt, der war schon in der Vergangenheit mit Lösungen von Vicor gut bedient. Dem Entwicklerteam um Unternehmensgründer Patrizio Vinciarelli waren immer wieder Modullösungen gelungen, die Benchmarks in der Branche setzten. Das gilt auch wieder für die ersten nun serienmäßig erhältlichen Bus-Converter der ChiP-Technologie. Wirkungsgrade von 98 Prozent bei einer Leistungsdichte von 115 W/cm3 werden auch in absehbarer Zukunft wohl ihresgleichen suchen.

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Nun lassen sich aber nicht alle Herausforderungen der Stromversorgungsentwicklung mit an Halbleiterchips erinnernden Modulen für Intermediate-BUS-Konzepte lösen. Wie anders etwa die Welt der Hut-Schienen-Netzteile getaktet ist, ist daran abzulesen, dass dort heutige 480-W-Geräte mit Wirkungsgraden von 94 Prozent gerade mal auf eine Leistungsdichte von 7 W/cm3 kommen. »Entsprechende Fortschritte von Leiterplatten, Elektrolyt-Kondensatoren und magnetischen Komponenten vorausgesetzt«, so Ulrich Schwarz, Sales & Marketing Director bei TDK-Lambda Deutschland, »werden uns hier in naher Zukunft wohl Leistungsdichten von 10 W/cm3 ermöglichen«.

Wie so oft in der Leistungselektronik liegen die größeren Herausforderungen wohl auf Seiten der passiven und elektromechanischen Komponenten. Ginge es nur nach den Begrenzungen der Leistungshalbleiter, wären heute schon wesentlich kompaktere und effizientere Gerätelösungen möglich. Doch bislang führt kaum ein Weg am Einsatz von Aluminiumelektrolyt-Kondensatoren beim Stromversorgungsbau vorbei, und daran wird sich auch nach Einschätzung von Bernhard Erdl, Gründer und President von Puls, in Zukunft nichts ändern: »An zwei Punkten ist ein Verzicht auf Aluminiumelektrolyt-Kondensatoren nicht vorstellbar: am Ein- und am Ausgang.«

Glaubt man den Herstellern passiver Bauelemente, dann könnte sich das zumindest mittelfristig ändern. Die Hoffnungen ruhen dabei vor allem auf Elektrolyt-Polymer-Kondensatoren oder Hybridversionen, welche die Vorteile von Aluminiumelektrolytkondensatoren und Polymerkondensatoren hinsichtlich etwa eines niedrigen ESR oder einer langen Lebenszeit miteinander kombinieren. Noch steht hier die Entwicklung am Anfang, die nächsten Jahre werden zeigen, ob sich etwa aufgrund neuer Produkte mit höheren Spannungswerten auch Stromversorgungsentwickler für diese Produkte begeistern können.

Einfluss auf die zukünftige Komponentenauswahl dürfte auch der Trend in Richtung LLC-Konverter haben. Bislang vor allem im Konsumergerätebereich die Schaltung der Wahl, finden inzwischen auch immer mehr Entwickler von Industriestromversorgungen Gefallen an dieser Schaltung. Damit dürfte mittelfristig die Zahl der bislang dominierenden PWM-Designs zurückgehen, auch wenn manche Experten darauf aufmerksam machen, dass das Transformer-Design bei LCC-Schaltungen mit Leistungen von über 500 W sehr komplex wird. Mit den LCC-Schaltungen wird auch wieder der Folienkondensator im Stromversorgungs-Design Einzug halten, der bislang aufgrund seiner geringeren Kapazitätsdichte in Designs gegenüber Keramikkondensatoren das Nachsehen hatte.

Kommt man zum Herzstück der Spannungswandlung, den Leistungshalbleitern, dann stellt man fest, dass dort nach wie vor Superjunction-MOSFETs in Form der CoolMOS-Baureihe von Infineon oder der MDmesh-Baureihe von STMicroelectronics zum Einsatz kommen, wenn es darum geht, hohe Wirkungsgrade zu realisieren. SiC-MOSFETs scheint in Europa zumindest bislang nur ein Labornetzgerätehersteller in den Niederlanden einzusetzen. SiC-Dioden hingegen lassen sich inzwischen in einer ganzen Reihe von Stromversorgungsprodukten finden.

Gegen den Einsatz der hocheffizienten SiC-MOSFETs spricht aus Sicht der Entwickler bislang vor allem eines: der Preis. Karsten Bier, CEO von Recom Electronic, brachte die Dimension des Preisunterschieds zwischen Superjunction- und SiC-MOSFETs vor kurzem auf einen einprägsamen Nenner: »Auch wenn ich mir die Preise für die zweite Generation der SiC-MOSFETs von Cree ansehe und das mit dem durchschnittlichen Endpreis meiner Produkte vergleiche, dann sind diese Produkte immer noch viel zu teuer, ihr Einsatz ließe sich wirtschaftlich einfach nicht darstellen«.

Dass der Einsatz von Leistungshalbleitern aus dem Wide-Band-Gap-Bereich für Stromversorgungsentwickler durchaus reizvoll wäre, macht das Statement von Hermann Püthe, Geschäftsführender Gesellschafter von inpotron Schaltnetzteile ,deutlich: »Hochspannungs-SiC-MOSFETs oder vergleichbare Bauteile würden Stromversorgungsentwicklern die Realisierung aktiver Brückengleichrichter ermöglichen. Damit eröffnete sich uns ein Lösungspfad, der es uns erlaubt, die Verluste von Stromversorgungen zu halbieren.« Ähnlich denkt Puls-Chef Erdl: »Ein Bauteil wie ein 600-V-GaN-MOSFET mit schneller Bodydiode wäre eine wirklich revolutionäre Lösung, die neue Ideen in der Stromversorgungsentwicklung anstoßen würde.«

Eine auch wirtschaftlich interessante Alternative zum Einsatz von SiC-MOSFETs im Stromversorgungsdesign könnte vor diesem Hintergrund der von Fairchild Semiconductor angebotene SiC-Bipolar-Transistor sein. Er weist gegenüber SiC-MOSFETs- und -JFETs eine deutlich kleinere Chipfläche auf, das Risiko von Defekten in der SiC-Schicht ist damit, bezogen auf den einzelnen Chip, geringer. Gleichzeitig sinken die Produktionskosten. Interessant für Stromversorgungs-Designs macht den SiC-Bipolar-Transistor neben seiner geringen Chipgröße vor allem auch seine kurzen Schaltzeiten, die zuletzt bei 1200-V-Typen zwischen 15 und 20 ns lagen. Besonders im Zusammenhang mit Totem-Pole-Schaltungen scheinen SiC-Bipolar-Transistoren dem Entwickler einige Vorteile zu bieten.

Blickt man ein, zwei Jahre in die Zukunft, dann könnte es jedoch ein anderes Material sein, das die Ideen von Stromversorgungsentwicklern beflügelt: GaN-on-Silicon-Transistoren. Noch in diesem Jahr wollen Unternehmen wie Transphorm und Panasonic die Serienproduktion von 600-V-Leistungsschaltern auf Basis von GaN-on-Silicon aufnehmen. Sie würden in klassischen Gehäusen wie dem TO220 angeboten und ließen sich wohl mit der Mehrzahl der üblichen MOSFET-Treiber ansteuern. Ihr entscheidender Vorteil gegenüber SiC: Ihr Preis wird deutlich niedriger liegen, was auch damit zu tun haben dürfte, dass die Serienproduktion dieser Leistungshalbleiter gleich auf Waferdurchmessern von 6 und 8 Zoll beginnt. Mit 600-V-Schaltern bewegen sie sich im Gegensatz zu SiC auch in Spannungsregionen, die für Stromversorgungsentwickler interessanter sein dürften als 1200 V. Der Nachteil dieser Lösung: Die Entwickler würden sich damit auf einen Lösungsweg begeben, über dessen Langzeitverhalten bislang gegenüber Silizium- und SiC-Lösungen relativ wenig bekannt ist. Der Einsatz von GaN-on-Silicon im Industriestromversorgungsbereich wäre damit äußerst ambitioniert.

Doch ob nun Superjunction-, SiC-, oder GaN-on-Silicon-MOSFET, Aluminiumelektrolyt- oder Hybrid-Kondensator: Ohne ein ausgefeiltes thermisches Management lassen sich heute keine hocheffizienten, langlebigen Stromversorgungen realisieren. War Wärmemanagement vor zehn Jahren auch noch bei kundenspezifischen Lösungen nur ein Randthema, so hat es sich in den letzten Jahren zu einem harten Differenzierungsmerkmal für Stromversorgungs-Hersteller entwickelt. Installierte Kühlkanäle, eine kurze und direkte Anbindung von Wärmeerzeugern und die Vermeidung ungünstiger thermischer Übergänge zählen heute zu den Grundvoraussetzungen, wenn es darum geht, Stromversorgungen kompakt, energieeffizient und langlebig zu konzeptionieren.