Wie Galliumnitrid (GaN) kleinere, effizientere Netzteile ermöglicht
7. Januar 2020 von Ron Stull – Lesezeit: 5 Minuten
Was ist GaN?
Gallium Nitride (GaN) ist ein Halbleitermaterial mit großem Bandabstand (WBG, Wide Band Gap). Wie Silizium kann GaN zur Herstellung von Halbleiterbauelementen wie Dioden und Transistoren verwendet werden. Die Entwicklung von GaN-Transistoren war für die Leistungselektronikindustrie als Ersatz für Siliziumtransistoren von besonderem Interesse. Als Transistor weist GaN in Schlüsselbereichen erhebliche Vorteile gegenüber Silizium auf, die es den Herstellern von Netzteilen ermöglichen, die Effizienz maßgeblich zu steigern und gleichzeitig die Größe und das Gewicht ihrer Bauelemente zu verringern.
Wie verbessert GaN die Effizienz?
Leistungstransistoren sind einer der Hauptverursacher von Leistungsverlusten in einem Schaltnetzteil. Verluste in den Transistoren werden im Allgemeinen in zwei Kategorien unterteilt: Leiten und Schalten. Leitfähigkeitsverluste sind solche, die durch den Stromfluss verursacht werden, wenn der Transistor eingeschaltet ist, und Schaltverluste treten beim Übergang zwischen Ein- und Aus-Zuständen auf.
Im eingeschalteten Zustand ähneln GaN-Transistoren (wie solche aus Silizium) einem Widerstand zwischen Drain und Source, der häufig als Ron bezeichnet wird, und die Leitfähigkeitsverluste sind proportional zu diesem Widerstand. Ein Hauptvorteil von GaN und anderen WBG-Materialien ist die Beziehung zwischen Durchbruchspannung und Ron. Abbildung 1 zeigt die theoretischen Grenzen dieser Beziehung für Silizium, GaN und Siliziumkarbid (SiC), ein weiteres WBG-Material. Es ist ersichtlich, dass für eine vorgegebene Durchbruchspannung das Ron der WBG-Bauelemente viel niedriger ist als das von Silizium, wobei GaN das niedrigste der drei ist. Da sich Silizium seiner theoretischen Grenze nähert, wird die Verwendung von GaN und anderen WBG-Materialien notwendig, wenn Verbesserungen an Ron fortgesetzt werden sollen.
Neben einer Verbesserung der Leitfähigkeitsverluste führt die Verwendung von GaN auch zu einer Verringerung der Schaltverluste. Es gibt mehrere Faktoren, die zu Schaltverlusten beitragen, von denen einige durch die Verwendung von GaN verbessert werden. Ein Verlustmechanismus ergibt sich aus der Tatsache, dass der Strom in einem Transistor zu fließen beginnt, bevor die Drain-Source-Spannung zu fallen beginnt, wie in Abbildung 2 gezeigt. Während dieser Zeit sind die Verluste (gleich dem Volt-Ampere-Produkt) sehr groß. Durch Erhöhen der Einschaltgeschwindigkeit des Schalters werden die Verluste während dieses Übergangs verringert. Da GaN-Transistoren schneller als Siliziumtransistoren einschalten können, können sie die durch diesen Übergang verursachten Verluste reduzieren.
Ein weiterer Weg, wie GaN den Schaltverlust reduziert, ist die Abwesenheit einer Body-Diode. Um einen Kurzschlusszustand zu vermeiden, liegt eine Zeitspanne vor, in der beide Schalter einer Halbbrücke ausgeschaltet sind, was als „Totzeit“ bezeichnet wird. Während dieser Zeit fließt der Strom weiter, aber da beide Schalter ausgeschaltet sind, wird er durch die Body-Diode geleitet. Die Body-Diode ist im eingeschalteten Zustand viel weniger effizient als der Ron-Widerstand eines Silikontransistors. Für einen GaN-Transistor gibt es keine Body-Diode. Strom, der durch die Body-Diode eines Silikontransistors fließen würde, fließt stattdessen durch den Ron-Widerstand. Dies reduziert die Verluste während der Totzeit erheblich.
Da die Body-Diode eines Siliziumtransistors während der Totzeit leitet, muss sie ausgeschaltet werden, wenn der andere Schalter eingeschaltet wird. Während dieser Zeit fließt der Strom in umgekehrter Richtung, wenn die Diode ausschaltet, was zu zusätzlichen Verlusten führt. In einem GaN-Transistor führt die Abwesenheit einer Body-Diode zu Erholungsverlusten in Sperrrichtung nahe Null.
Wie verringert GaN den Formfaktor?
Während Schaltverluste in kurzen Zeiträumen innerhalb der Schaltperiode auftreten, ist es sinnvoll, sie über die Zeit gemittelt zu betrachten. Während die Verluste während eines einzelnen Schaltübergangs groß sein können, kann der Durchschnittswert auf einem sicheren Niveau gehalten werden, wenn die Zeitspanne zwischen den Schaltern groß ist (was eine niedrige Schaltfrequenz bedeutet). Da die Schaltverluste bei GaN geringer sind, kann die Zeit zwischen dem Schalten verringert werden, wodurch die Schaltfrequenz erhöht wird. Durch die erhöhte Schaltfrequenz kann die Größe vieler großer Komponenten (z. B. des Transformators, der Induktivitäten und der Ausgangskondensatoren) verringert werden.
GaN- und andere WBG-Bauelemente weisen ebenfalls eine bessere Wärmeleitfähigkeit auf und halten höheren Temperaturen stand als Silizium. Beides reduziert den Bedarf an thermischen Verwaltungskomponenten wie sperrigen Kühlkörpern, Rahmen oder Lüftern. Die Abwesenheit dieser Vorrichtungen (zusammen mit dem zuvor erwähnten Schrumpfen der Antriebsstrangkomponenten) führt zu einer signifikanten Verringerung der Gesamtgröße der Stromversorgung.
GaN-Desktop-Netzteile
Verbesserte Effizienz, verringerte Größe und verringertes Gewicht wurden durch die Anwendung von GaN in der neuesten Serie von Desktopadaptern von CUI erzielt. Durch die erhöhte Schaltfrequenz des SDI200G-U Desktopadapters von CUI konnte beispielsweise seine Größe um mehr als die Hälfte reduziert werden, wodurch die Leistungsdichte von 5,3 W/in3 auf 11,4 W/in3 erhöht wurde, wie in Abbildung 3 unten dargestellt. Dies führte auch zu einer Gewichtsreduzierung von 32 % (820 g auf 560 g). Durch die Reduzierung von Leitungs- und Schaltverlusten erreichen die Adapter Wirkungsgrade von bis zu 95 %. Diese GaN-Desktopadapter bieten erhebliche Verbesserungen in Bezug auf Effizienz, Größe und Gewicht gegenüber herkömmlichen siliziumbasierten Verbrauchsmaterialien.
Fazit
Hersteller von Netzteilen suchen immer nach Möglichkeiten, die Effizienz und Leistungsdichte ihrer Produkte zu steigern. Viele der Gewinne im Laufe der Jahre sind auf Verbesserungen der in den Netzteilen verwendeten Siliziumschalter zurückzuführen. Da Silizium jedoch an seine physikalischen Grenzen stößt, mussten die Hersteller nach Verbesserungen suchen. Die Verwendung von GaN (mit seinen geringeren Verlusten und dem schnelleren Schalten) ermöglicht es den Herstellern, die Beschränkungen von Silizium zu überwinden und kleinere und effizientere Stromversorgungen zu entwerfen und weiterhin Raum für Verbesserungen lassen, während sich GaN weiterentwickelt. Diese Verbesserungen sind in der neuesten Generation der GaN-basierten Adapter von CUI zu sehen.
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Ron Stull
Seit Ron Stull 2009 zu CUI kam, hat er eine Reihe von Kenntnissen und Erfahrungen in den Bereichen der analogen und digitalen Stromversorgung sowie der AC/DC- und DC/DC-Energieumwandlung gesammelt. Er spielt eine Schlüsselrolle im Engineering-Team von CUI, mit Verantwortlichkeiten wie Anwendungsunterstützung, Test und Validierung sowie Design. Außerhalb der Energietechnik spielt Ron Gitarre, joggt und unternimmt mit seiner Frau Ausflüge in die Natur. Sie haben vor, alle US-Nationalparks zu besuchen.