Unter den Entwicklern von Power-Management-Systemen gibt es heute eine weitverbreitete Frage: Ist es jetzt an der Zeit von Silizium-Leistungsschalter auf GaN-basierte überzugehen? Die Gallium-Nitrid-Technik (GaN) bietet viele Vorteile gegenüber traditionellen auf Silizium basierten MOSFETs. Als Halbleiter mit breiter Bandlücke erlaubt es GaN, dass Leistungsschalter bei hohen Temperaturen arbeiten und dabei eine hohe Leistungsdichte erzielen. Zudem hat GaN eine hohe Durchbruchspannung, wodurch es sich für Applikationen über 100 V eignet. Und selbst über 100 V bieten die hohe Leistungsdichte und das schnelle Schalten von GaN Vorteile wie einen höheren Wirkungsgrad der Leistungswandlung in unterschiedlichen Schaltnetzteil-Designs.
Die Herausforderungen
Wenn man auf Silizium basierende MOSFETs durch GaN-Bausteine ersetzt, gibt es sicherlich einige Herausforderungen. Zunächst haben GaN-Schalter typischerweise geringere Gate-Nennspannungen. Daher ist es wichtig sicherzustellen, dass die Treiberstufen die maximale Spannung strikt einhalten, um eine Beschädigung des GaN-Bausteins zu vermeiden.
Dann muss man mit der schnellen Spannungsänderung (dV/dt) des Schaltknotens der Stromversorgung zurechtkommen. Diese kann zu einem falschen Einschalten des unteren Schaltpunktes (bottom switch) führen. Um dieses Problem zu lösen sind ein separater Pull-Up- und Pull-Down-Pin sowie ein sorgfältiges Layout der Leiterplatte notwendig.
Und schließlich zeigen GaN-FETs höhere Leitungsverluste während der Totzeit. Ein Weg, dieses Problem zu lösen ist es die Totzeiten strikt zu minimieren. Allerdings muss dies so gemacht werden, ohne dabei überlappende Zeiten der Schalter auf der oberen (high side) und der unteren Seite (low side) zu generieren, um einen Kurzschluss mit Masse zu verhindern.
Wie man startet
Bei den verlockenden Versprechungen von GaN für die Entwicklung von Stromversorgungen muss man aber eine grundlegende Frage beantworten: Wie startet man eine solche Entwicklung? Ein einfacher Weg ist es, ein Controller-IC, wie den einphasigen, abwärts wandelnden (buck) GaN-Controller LTC7891 von Analog Devices auszuwählen. Die Wahl eines dedizierten GaN-Controllers macht die Entwicklung einer Stromversorgung einfach und robust. All die beschriebenen Herausforderungen werden mit derartigen Controllern adressiert und gelöst.
Verwendung eines beliebigen Controller-ICs
Wenn eine bereits bestehende Stromversorgung mit einem integrierten Silizium-Controller-IC in eine GaN-basierte Stromversorgung umgerüstet werden soll, ist es sinnvoll, dazu einen dedizierten GaN-Treiber zu verwenden. Er sorgt für die Lösung der Herausforderungen des GaN-Einsatzes und erlaubt eine einfache und robuste Entwicklung.
Die ersten Schritte machen
Sind einmal eine geeignete Hardware, Controller-IC und GaN-Leistungsschalter ausgewählt, ist es eine gute Möglichkeit, eine detaillierte Schaltungssimulation durchzuführen, um erste Evaluierungsergebnisse zu erhalten. LTspice des Unternehmens ADI bietet dazu komplette Schaltungsmodelle, die man kostenfrei zur Simulation nutzen kann. Dies ist ein komfortabler Weg, um über den Einsatz von GaN-Leistungsschaltern zu lernen.
Zusammenfassung
Die GaN-Technik für Schaltnetzteile hat mittlerweile einen soliden Entwicklungsstand erreicht, mit dem sich viele Stromversorgungsanwendungen entwerfen lassen. Allerdings wird es mit jeder neuen Generation von GaN-Leistungsschaltern auch künftig Weiterentwicklungen geben. Die von dem Unternehmen ADI verfügbaren Controller und Treiber für GaN-Schaltnetzteile sind flexibel und arbeiten heute und künftig auch mit GaN-FETs von unterschiedlichen Herstellern.
