Mit GaN-Transistoren hohe Wirkungsgrade in Netzteilen erzielen

Die Leistungselektronik hat sich in den letzten Jahrzenten rasant entwickelt. Der Grund dafür sind im Wesentlichen die immer schneller schaltenden Halbleiterschalter, die es erlauben, die elektrische Energie speichernden Bauteile wie Kondensatoren und Induktivitäten immer weiter zu verkleinern. Zusammen mit höheren Wirkungsgraden lassen sich so kleinere leistungselektronische Komponenten wie Netzteile und Gleichspannungswandler realisieren. Die Halbleiterschalter wurden über die letzten Jahrzehnte ständig weiterentwickelt. Die aktuellen Halbleiterschalter wie Super-Junction-MOSFETs (SJ), Silicon-Carbid-MOSFETs (SiC) und Transistoren auf Gallium-Nitrit Basis (GaN) erreichen Schaltzeiten die fast zehnmal kürzer sind als die herkömmlicher MOSFETs. Dies führt zu deutlich geringeren Schaltverlusten, was wiederum höhere Schaltfrequenzen erlaubt. Deshalb und wegen des höheren Wirkungsgrades lassen sich geringere Bauvolumen für Netzgeräte realisieren.

Es ist jedoch zu beachten, dass diese Vorteile nicht für alle Schaltungs-Topologien gelten, welche für Schaltnetzteile und Gleichspannungswandler verwendet werden. Mit der Verfügbarkeit von leistungsfähigen Steuerungs-ICs kommen bereits seit einigen Jahren verschiedene Resonanzwandler-Konzepte zum Einsatz, die sich dadurch auszeichnen, dass im Moment des Ein- oder Ausschaltens der Strom oder die Spannung am Schaltelement bereits Null ist und somit keine Verlustleistung bzw. Verlustenergie entsteht (ZVS oder ZIS: Zero Voltage Switching und Zero Current Switching). Weil bei diesen Schaltungskonzepten prinzipbedingt keine Verlustleistung entsteht, ist bei Einsatz noch schneller schaltender Bauelemente keine weitere Reduktion der Schaltverlustleistung zu erwarten. Bild 1 zeigt das Prinzip-Schaltbild eines typischen Industrienetzteils der Traco Power mit einem PFC-Wandler am Eingang und einem Resonanzwandler am Ausgang. Über die mit L und C bezeichneten Bauelemente fließt die gesamte elektrische Energie und die Werte des Kondensators und der Induktivität bestimmen durch die Resonanzfrequenz im Wesentlichen die Schaltfrequenz des Wandlers.

Das Netzteil hat am Eingang einen Spannung hochsetzenden Gleichspannungswandler (PFC-Wandler), welcher einen quasi sinusformen Netzeingangsstrom  zur Korrektur des Powerfaktors erzwingt. Ein nachgeschalteter Resonanzwandler dient zur Anpassung des Spannungsniveaus, der galvanischen Trennung zur Netzspannung und der Ausregelung von Netzspannungs- und Laständerungen. Weil jedoch ein resonant oder semiresonant schaltender PFC-Wandler sehr aufwendig und nur mit hoher Komplexität zu realisieren ist, bietet sich für diesen Hochsetzsteller die Verwendung schnell schaltender Transistoren als aktive Hochfrequenzschalter.

Um den Wirkungsgrad des Netzgerätes mit diesen schnell schaltenden Komponenten durch geringere Schaltungsverluste deutlich erhöhen zu können, müssen Entwickler gleichzeitig auch Durchlassverluste in Dioden und Gleichrichtern reduzieren. Dazu bietet sich unter anderen die Totem-Pole-Topologie für den Hochsetzsteller an. Damit lässt sich der üblicherweise verwendete Netzgleichrichter mit seinen relativ hohen Durchlassverlusten von vier Dioden auf zwei Dioden reduzieren (Bild 2). Diese Schaltung bauten die Entwickler von Traco Power mit GaN-Transistoren auf und erprobten den Aufbau anschließend.

Warum GaN verwenden?

Bild 1: Typisches Prinzipschaltbild eines Netzgeräts der Firma Traco mit Aufwärtswandler am Eingang zur Erzeugung eines sinusförmigen Eingangsstroms und eines Resonanzwandlers zur Potentialtrennung und Spannungsregelung. Traco Power

Super-Junction-MOSFETS (SJ) schalten sehr schnell, sind leicht austauschbar, preiswert und zudem gut verfügbar. Nachteilig ist jedoch die relative hohe Ansteuerleistung bei höheren Schaltfrequenzen und die hohe Schaltverlustleistung sowie die lange Erholzeit der Body-Diode im Reverse-Betrieb.

Silicon-Carbide-MOSFETs (SiC) sind schneller als SJ-MOSFETs und eignen sich gut für hohe Sperrspannungen. Weiterhin haben sie ein robustes Avalanche-Verhalten und eine Bodydiode mit sehr kurzen Rückwärtserholzeiten. Allerdings ist die Steuerung dieser Transistoren etwas aufwendiger, da eine negative Gate-Vorspannung notwendig sein kann.

Bild 2: Totem-Pole-Schaltung zur Korrektur des Power Factors des Netzeingangsstroms. Traco Power

GaN-Transistoren sind generell in zwei verschiedenen Ausführungen erhältlich: selbst leitend und selbst sperrend. Daraus ergeben sich je nach Typ und Hersteller unterschiedliche Anforderungen bezüglich der-Gate Ansteuerung dieser Komponenten. Der Vorteil des GaN-Transistors ist jedoch die bis zu zehnmal kürzere Schaltzeit und der Wegfall der Body-Diode. Dieser Vorteil rechtfertigt unter Umständen den Mehraufwand für Kontrolle und Steuerung dieser Komponenten. Um alle Vorteile der GaN-Transistoren vollständig nutzen zu können, ist eine aufwendigere Gate-Ansteuerschaltung notwendig, die oftmals bereits mit auf dem Chip des Leistungsschalters integriert ist. Der Nachteil dabei ist, dass Komponenten verschiedener Hersteller dann nicht mehr kompatibel und damit nicht einfach gegeneinander austauschbar sind.

Schnelles Schalten bei einem Aufwärtswandler mit GaN-Transistoren

Bild 3: Totem-Pole- Eingangswandler mit Eingangs- und Ausgangsfilter zur Vermeidung von Funkstörungen. Traco Power

In Bild 3 ist der Hochsetzsteller als Totem-Pole-Schaltung aufgebaut, wobei die Ausgangsspannung immer höher ist als die Eingangsspannung. Die beiden Transistoren arbeiten dabei abwechselnd je nach Polarität der Eingangsspannung als aktiver Schalter oder als aktive Freilaufdiode für den Drosselstrom. Diese Transistoren werden alternierend mit einem Tastverhältnis „D“ und „(1-D)“ angesteuert. Mit sehr schnell schaltenden GaN-Transistoren lässt sich die Stufe in diesem Fall kontinuierlich mit Drosselstrom betreiben. So muss der Drosselstrom nicht Null sein, wenn der Schalter ein- oder ausgeschaltet wird, weil nur sehr geringe Schaltverluste entstehen. Zusätzlich lässt sich die Speicherdrossel dadurch mit geringem Hochfrequenz-Wechselstrom betreiben. Der Strom durch Drossel und Gleichrichterdioden ist regelungstechnisch gut kontrolliert, weshalb sich die Gleichrichterdioden zur weiteren Reduzierung der Verlustleistung durch SJ-MOSFETs, welche sehr geringe Einschaltwiderstände aufweisen, ersetzen lassen. Dies führt zu weiterer Reduktion der gesamten Verlustleistung und damit auch zur Erhöhung des Wirkungsgrades.

Bild 4: Schaltverhalten eines GaN-Transistors in einem PFC-Wandler mit (a, links) und ohne (b, rechts) externe SiC-Paralleldioden zur Vermeidung von Einschwingvorgängen. Traco Power

Weil die Schaltzeiten der GaN-Tansistoren nur einige Nanosekunden betragen, werden parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten zu hochfrequenten Schwingungen angeregt, was zu Störungen am Eingang und am Ausgang führt, was auch die Messungen stark beeinträchtigt. Deshalb verwendeten die Entwickler die in Bild 3 dargestellten Filter. Die gemessenen Schaltsignale, jeweils gemessen zwischen Drain- und Source Anschluss der GaN-Transistoren, sind in Bild 4 dargestellt, während Bild 5 den zugehörigen Messaufbau zeigt. Bei dem verwendeten GaN-Transistor stellten die Entwickler fest, dass zur Vermeidung von Oszillationen während der Totzeit zu Drain-Source parallele SiC-Dioden notwendig sind (D3 und D4). Die Messung des Ausschaltverhaltens der Drain-Source-Spannung am GaN-Transistor ist in Bild 4 einmal mit und einmal ohne externe Paralleldioden dargestellt. Der Schaltvorgang dauert weniger als sieben Nanosekunden, ist also etwa zehnmal kürzer als bei Standard-MOSFETs. Damit reduzieren sich auch die Ein- und Ausschaltverluste um diesen Faktor im Vergleich zu konventionellen MOSFET-Schaltern.

Bild 6: Messung des Stroms in der Induktivität des Aufwärtswandlers (PFC-Wandlers) bei einer Netzeingangsspannung von 110 VAC (a, links) und Netzeingangsspannung von 230 VAC (b, rechts). Traco Power

Die oben dargestellte Schaltung ist für eine Leistung von 1000 W ausgelegt und bei den beiden beiden Schalttransistoren handelt es sich um GaN-Transistoren mit 80 mΩ. Die Ansteuerung und Regelung sind diskret und analog aufgebaut, damit alle Betriebsparameter beeinflusst und eingestellt werden können. Die in Bild 4b dargestellten Schwingungen verursachen nach dem Abschalten schwer filterbare hochfrequente Störungen, welche einen großen Filteraufwand erfordern würden, weshalb sie vermieden werden müssen.

Kleinere Induktivitäten bei Verwendung von GaN-Transistoren

Bild 7: Gleichtaktstörstrom (grün) und Gleichtaktstörspannung (rot) beim PFC-Wandler bei 1000 W Volllast und bei einer Netzspannung von 230 V. Traco Power

Für die Effizient des Aufwärtswandlers (PFC-Wandler) sind die Verluste und die Baugröße der Induktivität von entscheidender Bedeutung. Die gespeicherte Energie einer Induktivität verhält sich quadratisch zur Amplitude des Stroms beim Ein- und Ausschalten, ebenso steigen die Ohmschen Verluste quadratisch zum Strom. Die Ummagnetisierungsverluste in der Induktivität hingegen hängen vom Volumen des magnetischen Kerns, dem Wechselanteil des Stroms und damit vom Hub der Änderung der magnetischen Flussdichte und der Schaltfrequenz ab. Der evaluierte Versuchsaufbau wurde mit einer mittleren Schaltfrequenz von 100 kHz betrieben. Die Messung des Drosselstroms für die Eingangsspannungen von 110 V_AC und 230 V_AC sind in Bild 6 dargestellt. Weil die Höhe der Stromwelligkeit von der Differenz der Eingangsspannung zur Boost-Spannung abhängt, ergibt sich bei niederer Eingangsspannung (Bild 6a) eine größere Restwelligkeit des Stromes als bei Betrieb mit höherer Spannung (Bild 6b). Die Verlustwärme des magnetischen Materials der Induktivität sind bei geringer Eingangsspannung wesentlich größer und müssen deshalb für diesen ungünstigen Betriebsfall ausgelegt werden.

Da die Kernverluste umso geringer sind je geringer die Welligkeit des Stroms in der Induktivität ist, bietet ein PFC-Wandler mit GaN-Transistoren die Möglichkeit, magnetische Materialien für die Induktivität einzusetzen, die trotz relativ hohen spezifischen Ummagnetisierungsverlusten eine hohe magnetische Sättigungsflussdichte aufweisen. Dadurch lassen sich höhere Schaltfrequenzen bei geringer Schaltverlustleistung mit einigen hundert kHz einsetzen. Dies ermöglicht eine weitere Reduzierung des Bauvolumens der Induktivität.

Höhere Störungen durch schnelleres Schalten

Wegen der sehr kurzen Schaltvorgänge in den GaN-Transistoren werden Rechteck-Ströme und -Spannungen erzeugt, die wegen der sehr steilen Ein- und Ausschaltflanken sehr hochfrequente Stör-Spannungen und -Ströme generieren. Diese sind unerwünscht und müssen gut gefiltert werden, damit die Anwendung keine elektromagnetischen Störungen vom Netzgerät an die Umgebung über die Anschlussleitungen oder durch Abstrahlung abgibt. Die Gleichtaktstörungen sind am schwierigsten zu filtern. Bild 7 zeigt dazu entsprechende Messungen.

Bild 8: Aufteilung der Gesamtverlustleistung in Abhängigkeit der Netzeingangsspannung auf die einzelnen Komponenten bei 230 V Netzspannung. Traco Power

Im Detail ist ersichtlich, dass sich die Gleichtaktspannung mit 100 Hz sehr schnell umpolt, der hochfrequente Anteil wird durch Rückspeisung der aktiven Boost-Diode verursacht. Dabei findet der Strom keinen Pfad über die Dioden D1 D2 und fließt somit als Gleichtaktstrom über den Y-Kondensator ins Netz zurück. Durch eine intelligente Steuerung der aktiven Boost-Diode und Ersatz der passiven Gleichrichterdioden D1 D2 durch MOSFETs lässt sich dieser Strom erheblich reduzieren.

Verbesserter Wirkungsgrad und verringertes Bauvolumen mit GaN-Transistoren

Der Wirkungsgrad eines PFC-Wandlers setzt sich generell aus den Durchlass- und Schaltverlusten der Halbleiterschalter sowie den Ohmschen- und Magnetisierungsverluste der Induktivität zusammen. Die Gesamtverluste maßen die Entwickler, weiterhin teilten sie die und die Einzelverluste rechnerisch auf (Bild 8).

Wegen der höheren Ströme bei niederer Eingangsspannung und höheren Verlusten im magnetischen Material der Induktivität ist der Wirkungsgrad stark von der Netzeingangsspannung abhängig.

Zusammenfassung

Bild 9: Gesamtwirkungsgrad des Totem-Pole-PFC Wandlers mit GaN-Transistoren (blau) in Abhängigkeit der Netzeingangsspannung im Vergleich zu Boundary Mode Interleaved PFC mit SJ-Mosfet (orange). Traco Power

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass mit dem Einsatz von GaN-Transistoren mit einer geeigneten Schaltungstopologie in PFC-Wandlern ein hoher Wirkungsgrad von über 99 Prozent erreicht werden kann. Jedoch ist der ON-Widerstand der wirtschaftlich vertretbar einsetzbaren GaN-Transistoren für kleine Netzspannungen noch deutlich zu hoch, deshalb müssen bei Netzdioden aktiv geschaltete MOSFETs eingesetzt werden. So sind Wirkungsgrade erreichbar, die drei bis fünf Prozent über denen eines PFC-Wandlers mit konventionellen MOSFETs mit Brückengleichrichter liegen. Zusammen können Anwendungen mit einem PFC-Wandlers und einem Resonanzwandler in einem Netzgerät Gesamtwirkungsgrade von über 96 Prozent erreichen. Die Anwendung von GaN-Transistoren in Schaltnetzteilen eröffnet neue Möglichkeiten in Bezug auf Schaltfrequenz, Wirkungsgrad und Baugröße. Voraussetzung für einen wirtschaftlich vertretbaren Einsatz in Netzgeräten und Gleichspannungswandlern mit Leistungen bis 1000 W ist jedoch die weitere Reduktion der Preise für diese Komponenten.

(prm)