Bild 1: Server-Netzteil mit Totem-Pole-PFC-Stufe und PSFB mit GaN-Schaltern.

Bild 1: Server-Netzteil mit Totem-Pole-PFC-Stufe und PSFB mit GaN-Schaltern. (Bild: Onsemi)

Ein langfristiges Ziel für die Hersteller von Netzteilen ist es den Wirkungsgrad zu steigern. Dadurch sinken die Betriebskosten und es wird weniger Energie in Form von Wärme verschwendet. Das bringt wiederum weniger Aufwand beim Wärmemanagement mit sich und reduziert die Größe sowie die Kosten des Netzteils. Zu den weiteren Vorteilen zählen eine geringere erforderliche Raumkühlung und weniger hörbare Geräusche bei Lüftern.

Bisher wurde der Wirkungsgrad von Netzteilen als feste Zahl angegeben, die stets die bestmögliche Effizienz angab. In vielen Anwendungen arbeitet das Netzteil jedoch in einem ganz anderen Lastbereich, und der angegebene Wirkungsgrad wird nur selten erreicht. Dies stellt vor allem dann ein Problem dar, wenn das Netzteil bei niedrigen Leistungsstufen betrieben wird.

„80 Plus“ ist ein freiwilliger Standard, der entwickelt wurde, um die Forderung einer effizienten Leistungsabgabe über den gesamten Lastbereich anzugehen. Der Standard umfasst sechs Stufen von „Basic“ bis „Titanium“ und legt einen Mindestwirkungsgrad von 80 % bei 20, 50 und 100 % Last fest.

„Titanium“ ist die höchste Stufe. Hier wird ein Wirkungsgrad von 90 % bei 10 % Last gefordert, was diese Stufe zur anspruchsvollsten macht und wahrscheinlich nur von Netzteilen mit höherer Leistung erreicht werden kann.

GaN-Bauelemente

GaN-Bauelemente sind die leistungsstärksten Schalter mit sehr geringen statischen und dynamischen Verlusten. Befindet sich der Treiber mit im Gehäuse, lässt sich der Baustein einfach in hochleistungsfähige Leistungswandler integrieren, die strenge Wirkungsgrad-Spezifikationen wie die 80 Plus Titanium erfüllen sollen.

Ist Galliumnitrid (GaN) der ideale Schalter?

Während sich siliziumbasierte (Si-) Halbleiterbauelemente in den letzten Jahren erheblich verbessert haben, bedeuten die strengen Anforderungen von 80 Plus, dass neue Technologien erforderlich sind, um die höchsten Werte zu erreichen – insbesondere Titanium. Halbleiter mit breiter Bandlücke (WBG, Wide-Bandgap), wie Siliziumkarbid (SiC) und GaN setzen sich immer mehr durch und ermöglichen Designs mit Wirkungsgraden von bis zu 99 %.

SiC mag etablierter sein, aber GaN bietet eine höhere Leistungsfähigkeit mit geringerem Durchlasswiderstand und schnellerem Schalten. Einige beschreiben GaN als den „idealen Schalter“. GaN-basierte High-Electron-Mobility-Transistoren (HEMT) bieten eindeutig Vorteile bei anspruchsvollen Anwendungen mit hohem Wirkungsgrad. Die einfachsten GaN-Schalter sind als Verarmungstyp (Normally-On) konfiguriert, aber es gibt inzwischen auch Anreicherungs-/Enhancement-/e-Mode-Typen, die ausgeschaltet sind, wenn keine Gate-Source-Spannung anliegt. Dies hat den Vorteil, dass sie zumindest anfangs ähnlich wie Si-MOSFETs arbeiten.

Server-Netzteile mit nur vier Prozent zulässigen Verlusten sind die anspruchsvollsten Anwendungen, d. h. eine Totem-Pole-Leistungsfaktorkorrekturstufe (TPPFC) wird mit einem resonanten DC/DC-Wandler wie LLC oder einer Phasenverschiebungs-Vollbrücke (PSFB) und einer Synchrongleichrichter-Ausgangsstufe kombiniert (Bild 1).

Bild 2: Ein Netzteil mit dem integrierten GaN+-Treiber NCP58291 erreicht einen Spitzenwirkungsgrad von ca. 95 %.
Bild 2: Ein Netzteil mit dem integrierten GaN+-Treiber NCP58291 erreicht einen Spitzenwirkungsgrad von ca. 95 %. (Bild: Onsemi)

Die Aufteilung der Verluste auf das gesamte Netzteil sorgt für einen Verlustwert von zwei Prozent für jede Stufe. Dabei muss ein Gleichgewicht zwischen Schalt- und statischen Verlusten in den GaN-Schaltern gefunden werden.

Eine größere Chip-/Die-Fläche verringert die statischen Verluste, erhöht jedoch auch die Bauteilkapazität, was wiederum die bei jedem Schaltzyklus erforderliche Ladung erhöht. Das Verringern der statischen Verluste führt daher zu höheren (dynamischen) Schaltverlusten, obwohl der Effekt bei GaN-Bauelementen recht gering und deutlich besser als bei Si-basierten Bauelementen ist.

Gate-Ansteuerung als Herausforderung

Der größte Unterschied zwischen e-GaN-HEMT-Bauelementen und Si-basierten Schaltern ist die Notwendigkeit einer sehr spezifischen Gate-Ansteuerung. Die Eingangskapazität (CISS) ist im Allgemeinen niedrig, da es sich um eine parallele Kombination der Gate-Source- und Gate-Drain-Kapazität handelt, die beide gering sind. Der Gate-Spitzenstrom kann jedoch in der Größenordnung von 1 A liegen, was eine niedrige Source-Impedanz des Gate-Treibers erfordert. In realen Schaltungen wird ein gewisser Source-Widerstand hinzugefügt, um dU/dt der Drain zu steuern und so Überschwingen der Spannung und/oder eine Oszillation zu verhindern.

Der optimale Gate-Widerstand ist für das Ein- und Ausschalten nicht derselbe, daher ist es üblich, separate Widerstände mit einer Diode zu verwenden. In anspruchsvolleren Schaltungen kann eine aktive Steuerung des Gate-Stroms (mit einer Spannungsbegrenzung) erfolgen. Es kommt jedoch auch darauf an, Laufzeitverzögerungen beim Schalten zu minimieren und auszugleichen, um den maximalen Nutzen aus der Geschwindigkeit von GaN zu ziehen.

E-Mode-GaN-HEMTs weisen eine Schwellenspannung von etwa 1,6 V auf, sodass Transienten beim Schalten zu Leistungsverlusten führen können, da das Bauelement nicht richtig leitet oder ein schlechtes Timing vorliegt. Dies kann zu einem „Shoot Through“ führen, also einer Injektion von Ladungen in das Gate über die Gate-Drain- oder Miller-Kapazität, wenn am Drain eine hohe dU/dt anliegt. In ähnlicher Weise kann jede Source-Induktivität, die der Gate-Treiberschaltung gemeinsam ist, eine Spannungstransiente verursachen, die der Gate-Abschaltspannung entgegenwirkt, wenn ein hoher dI/dt am Drain-Source-Abschaltpunkt vorliegt.

Um diesen Effekten entgegenzuwirken, werden dU/dt und dI/dt innerhalb des Designs so gesteuert, dass sie unter dem maximal möglichen Wert liegen. Dies verringert elektromagnetische Störungen (EMI), und eine Kelvin-Verbindung kann zur Source hinzugefügt werden, um die Gate-Treiberkreis zu trennen.

Vorkonfigurierte integrierte GaN-Leistungsstufen mit Treiber

Die beste und einfachste Möglichkeit, GaN-Bauelemente anzusteuern, ist mit einem optimierten integrierten Treiber wie bei dem NCP58920 oder NCP58921 von Onsemi. Diese beinhalten neben der Treiberstufe auch 650V-e-Mode-GaN-Bauelemente mit 150 bzw. 50 mΩ Durchlasswiderstand und eignen sich damit für alle gängigen Wandlertopologien, einschließlich TPPFC. Sie funktionieren auch besonders gut in „hart schaltenden“ Anwendungen in denen GaN erhebliche Vorteile bietet.

In einem gängigen kostengünstigen TPPFC+LLC-Wandler kann ein Paar der NCP58921-Bausteine einen >250-W-DC-Ausgang mit einem Wirkungsgrad von fast 95 % bereitstellen. In einem Server-Netzteil lässt sich mit einem optimierten Leitungsmodus und optimierter Magnetik jedoch das 80-Plus-Titanium-Ziel erreichen.

Die Serie NCP5892x wird im thermisch effizienten PQFN-8×8-Gehäuse mit offenem thermischen Pad für einen Übergangswiderstand von 0,4 °C/W zur Leiterplatte ausgeliefert. Die Versorgungsspannung für den Treiberbereich ist unkritisch (min. 8,5 V, max. 20 V), da der Baustein einen LDO für den GaN-HEMT-Treiber mit einer 6-V-Klemme und einen 5-V-LDO für die externe Versorgung des digitalen Isolators enthält, falls erforderlich. (neu)

Autor

Yong Ang ist Business Unit Strategic Marketing Director bei Onsemi.

 

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