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Tipps für Schaltnetzteil-Designer

Hohe Energiedichte mit eGaN

19. November 2019, 10:37 Uhr | Von Rich Miron, Applications Engineer bei Digi-Key Electronics

Bild 1: GaN-HEMTs ermöglichen Schaltnetzteile mit höherer Frequenz als Silizium- oder SiC-Bausteine.

Eine steigende Nachfrage nach Schaltnetzteilen mit hoher Energiedichte hat eGaN-HEMTs zu einer attraktiven Option für ein breites Spektrum von Stromversorgungsdesigns gemacht. Spezielle eGaN-Leistungsstufen erleichtern Schaltnetz-Designern die Arbeit.

Schaltnetzteile mit hoher Energiedichte können das Aufladen von Akkus beschleunigen, sie verringern die Größe von Solar-Mikrowechselrichtern und werden den Leistungsanforderungen von Serverfarmen gerecht – und das alles, ohne übermäßige Wärme zu erzeugen. Allerdings gelangen die Ingenieure derzeit an die Leistungsgrenzen der Silizium-MOSFETs und -IGBTs, welche heute die primären Schaltelemente herkömmlicher Schaltnetzteile bilden. An deren Stelle können jetzt Transistoren eingesetzt werden, die aus Enhancement-Mode-Gallium-Nitrid (eGaN) bestehen, einem Halbleiter mit besonders breiter Bandlücke. Sie überwinden die Beschränkungen der Siliziumbausteine hinsichtlich Schaltgeschwindigkeit und Effizienz.

Bisher sorgten die Kosten und die Verfügbarkeit von eGaN-Transistoren dafür, dass sie lediglich in esoterisch anmutenden Stromversorgungsanwendungen zum Einsatz kamen, doch ihre breitere Vermarktung hat diese Probleme inzwischen gelöst. Damit sind eGaN-Transistoren jetzt eine Option für ein viel breiteres Anwendungsspektrum.

Dieser Artikel beschreibt die Vorteile von Hochfrequenz-Netzteilen auf der Basis von eGaN-Schaltkomponenten im Vergleich zu denjenigen, die auf herkömmlichen MOSFETs oder IGBTs aus Silizium (Si) basieren. Er stellt darüber hinaus einen Leitfaden zur Konstruktion von Schaltnetzteildesigns dar, die sich für Anwendungen wie das Aufladen von Akkus oder Serverfarmen eignen, unter Einsatz von eGaN-Leistungsstufen von EPC, Texas Instruments und Navitas Semiconductor.

Vorteile
von Hochfrequenz-Netzteilen

Herkömmliche Schaltnetzteile arbeiten in der Regel mit Schaltfrequenzen im zwei- bis dreistelligen Kilohertz-Bereich. Das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation (PWM) bestimmt die Ausgangsspannung des Netzteils.

Für eine höhere Schaltfrequenz spricht die damit verbundene Reduzierung der Größe der Peripheriekomponenten wie Drosseln, Transformatoren und Widerstände. Dies ermöglicht es Designern, ihre Konstruktionen bei gleicher Ausgangsleistung deutlich zu verkleinern, was einer Erhöhung der Energiedichte entspricht. Außerdem werden Strom- und Spannungswelligkeit am Ausgang des Schaltnetzteils verringert, was das Risiko elektromagnetischer Interferenzen (EMI) senkt und die Kosten und die Größe der Filterkreise verringert.

Allerdings schalten die herkömmlichen Leistungs-MOSFETs und -IGBTs auf Siliziumbasis relativ langsam und geben bei jedem Ein- und Ausschalten der Bausteine eine erhebliche Leistung ab. Diese Verluste vervielfachen sich mit steigender Frequenz, was die Effizienz mindert und die Chip-Temperaturen ansteigen lässt. Die Kombination aus langsamem Schalten und hohen Schaltverlusten setzt der praktisch erreichbaren Schaltfrequenz heutiger Schaltnetzteile eine Obergrenze.

Designer können diese Obergrenze überwinden, indem sie sich Halbleitern mit breiter Bandlücke zuwenden. Von diesen stellt GaN derzeit die bewährteste und am besten verfügbare Technologie für derartige Anwendungen dar, wobei es sich bei eGaN um eine weiterentwickelte Version von GaN handelt.

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GaN bietet mehrere Vorteile gegenüber Silizium, darunter auch einige in Bezug auf die höhere Elektronenmobilität des Materials. Eine erhöhte Elektronenmobilität verleiht dem Halbleiter eine höhere Durchbruchspannung (über 600 Volt) und eine hervorragende Stromdichte (in A/cm2). Ein weiterer Vorteil von GaN ist, dass die aus diesem Material gebauten Transistoren keine Rückwärts-Erholladung aufweisen, ein Phänomen, das zum Überschwingen bei hohen Schaltströmen (Klingeln) führen kann.

Diese Merkmale sind für den Designer von Netzteilen durchaus von Bedeutung, doch was vielleicht noch wichtiger ist: Eine hohe Elektronenmobilität ermöglicht einem GaN-Transistor das Schalten in etwa einem Viertel der Zeit, die ein Silizium-MOSFET benötigt. Außerdem betragen die Verluste bei jedem Schaltvorgang des GaN-Bausteins nur etwa 10 bis 30 Prozent von dem, was für einen Silizium-Transistor mit vergleichbaren Werten bei Schaltfrequenz und Strom üblich ist. Dies hat zur Folge, dass sich GaN-Transistoren mit hoher Elektronenmobilität (High-Electron-Mobility-Transistors, HEMTs) mit viel höheren Frequenzen ansteuern lassen als Silizium-MOSFETs und -IGBTs oder Bausteine aus Siliziumkarbid (SiC), siehe Bild 1.

GaN-HEMTs verbreiteten sich anfänglich nur langsam, und zwar aus zwei Hauptgründen. Erstens: Bei den Bausteinen handelt es sich im Wesentlichen um Feldeffekttransistoren (FETs) im Verarmungsmodus, weshalb ihr Standardmodus „Ein“ ist. Im Gegensatz dazu sind Silizium-MOSFETs Bausteine im Anreicherungsmodus, deren Standardmodus „Aus“ ist. Folglich erfordert der ordnungsgemäße Betrieb von GaN-HEMTs zusätzliche Bias-Netzwerke, die sorgfältig abgestimmt sein müssen. Zweitens: HEMTs werden mit einem anderen Verfahren hergestellt als den ausgereiften, für die Massenfertigung geeigneten Technologien, mit denen Silizium-Transistoren gefertigt werden, wodurch sie teurer werden. Diese Kombination aus komplexerem Design und höheren Kosten hat GaN-HEMT-Anwendungen bisher auf High-End-Schaltnetzteile beschränkt.

Doch in letzter Zeit wurden die eGaN-HEMTs umfassender vermarktet, und sie benötigen jetzt keine Bias-Netzwerke mehr. Außerdem haben Chiphersteller Leistungs-ICs mit integrierten Treibern auf Basis von eGaN-HEMTs eingeführt, die das Design weiter vereinfachen. Und erhöhte Stückzahlen in der Fertigung haben die Preise von eGaN-Bausteinen sinken lassen.