Netzteile und die darin integrierten Halbleiterschalter wurden über die letzten Jahre ständig weiterentwickelt. Die neuesten Schalter wie Silicon Carbid MOSFETs (SiC), Super Junction MOSFETs (SJ) und Galliumnitrid-Transistoren (GaN) erreichen Schaltzeiten, die um den Faktor 10 kürzer sind als die traditionellen MOSFETs. Damit lassen sich die Schaltverluste verringern, und das wiederum ermöglicht höhere Schaltfrequenzen bei sehr signifikant verbesserten Wirkungsgrad. Daraus resultieren Netzteile mit geringen Abmessungen.
Es ist jedoch zu beachten, dass diese Vorteile nicht für alle Schaltungstopologien gelten, welche für Schaltnetzteile und Gleichspannungswandler verwendet werden. Mit der Verfügbarkeit von leistungsfähigen und preiswerten Steuerungs-ICs werden seit einigen Jahren bereits verschiedene Resonanzwandler-Konzepte eingesetzt, die sich dadurch auszeichnen, dass im Moment des Ein- oder Ausschaltens der Strom oder die Spannung am Schaltelement bereits 0 ist und somit keine Verlustleistung beziehungsweise Verlustenergie entsteht (ZVS oder ZIS: Zero Voltage Switching und Zero Current Switching). Weil bei diesen Schaltungskonzepten – meistens handelt es sich dabei um echte Resonanzwandler – prinzipbedingt keine Verlustleistung entsteht, ist bei Einsatz noch schneller schaltender Bauelemente keine weitere Reduktion der Schaltverlustleistung zu erwarten.
Veranschaulichung anhand von Industrienetzteil
Führt man sich zum Beispiel das Prinzip-Schaltbild eines typischen Industrienetzteils von Traco mit einem PFC-Wandler am Eingang und einem Resonanzwandler am Ausgang vor Augen, so fließt über die mit L und C bezeichneten Bauelemente die gesamte elektrische Energie, und die Werte des Kondensators und der Induktivität bestimmen durch die Resonanzfrequenz im Wesentlichen die Schaltfrequenz des Wandlers.
Die Energiequelle hat am Eingang einen Spannung hochsetzenden Gleichspannungswandler (PFC-Wandler), welcher einen quasi sinusförmigen Netzeingangsstrom am Eingang zur Korrektur des Powerfaktors erzwingt. Der nachgeschaltete 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 schneller GaN-Transistoren als aktive Hochfrequenzschalter an.
Damit auch der Wirkungsgrad des Netzgerätes mit diesen schnell schaltenden Komponenten durch geringere Schaltungsverluste deutlich erhöht werden kann, müssen auch Durchlassverluste in Dioden und Gleichrichtern reduziert werden. Dazu bietet sich unter anderen eine sogenannte „Totem Pole“-Topologie für den Hochsetzsteller an. Damit kann der üblich verwendete Netzgleichrichter mit seinen relativ hohen Durchlassverlusten von vier Dioden auf zwei Dioden reduziert werden. Eine solche Schaltung wurde mit GaN-Transistoren aufgebaut und erprobt. Die Vor- und Nachteile sowie die technischen Herausforderungen werden im Folgenden beschrieben.
Details zu GaN-Technologie
Die bekannten Super Junction MOSFETS (SJ) schalten sehr schnell, sind leicht austauschbar, preiswert und gut verfügbar. Nachteilig ist die relative hohe Ansteuerleistung, wenn sie bei höheren Schaltfrequenzen betrieben werden und die hohe Schaltverlustleistung sowie die lange Erholzeit der Body-Diode im Reverse-Betrieb.
Silicon Carbide MOSFETs (SiC) sind schneller als SJ MOSFETs, sind sehr gut für hohe Sperrspannungen geeignet, haben ein sehr robustes Avalanche-Verhalten und eine Bodydiode mit sehr kurzen Rückwärtserholzeiten. Jedoch ist die Steuerung dieser Transistoren aufwendiger, da eine negative Gate-Vorspannung notwendig sein kann.
Die Transistoren auf Galliumnitrid-Basis (GaN) stehen in zwei verschiedenen Ausführungen zur Verfügung: selbstleitend und selbstsperrend. 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 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 wechselbar sind.
Schnelle GaN-Transistoren
Unser Schaltbild zeigt, wie ein Hochsetzsteller als „Totem Pole" Schaltung aufgebaut ist. Die Ausgangsspannung ist immer höher 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.
Benutzt man für die beiden Schalter die sehr schnell schaltenden GaN-Transistoren, kann die Stufe mit kontinuierlichem Drosselstrom betrieben werden. Das heißt, der Drosselstrom muss nicht 0 sein, wenn der Schalter ein- oder ausgeschaltet wird, weil dabei nur sehr geringe Schaltverluste entstehen. Aus diesem Grund kann die Speicherdrossel mit wesentlich geringem hochfrequenten Wechselstrom betrieben werden.
Weil der Strom durch die Drossel und die Gleichrichterdioden regelungstechnisch gut kontrolliert sind, können auch die Gleichrichterdioden zur weiteren Reduzierung der Verlustleistung durch SJ MOSFETs, welche sehr geringe Einschaltwiderstände aufweisen, ersetzt werden. Dies führt zu weiterer Reduktion der gesamten Verlustleistung und damit auch zur Erhöhung des Wirkungsgrades.
Da die Schaltzeiten der GaN-Tansistoren nur einige Nano-Sekunden betragen, werden parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten zu sehr hochfrequenten Schwingungen angeregt, was zu erheblichen Störungen am Eingang und am Ausgang führt. Deshalb sollten hier bei Signalmessungen Filter verwendet werden.
Bei dem GaN-Probanden wurde festgestellt, dass zur Vermeidung von Oszillationen während der Totzeit (GaN ist rückwärts leitend, Gate „off“) zu Drain-Source parallele SiC-Dioden notwendig sind (D3 und D4). Die Messung des Ausschaltverhaltens der Drain-Source-Spannung am GaN-Transistor ist einmal mit und einmal ohne externe Paralleldioden durchgeführt worden. Der Schaltvorgang dauert weniger als 7 ns, 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.
Die beschriebene Schaltung ist für eine Leistung von 1.000 W ausgelegt, und die beiden Schalttransistoren sind 80-mΩ-GaN-Transistoren. Die Ansteuerung und Regelung wurde diskret und analog aufgebaut, damit alle Betriebsparameter beeinflusst und eingestellt werden können.
Ein Frage der Induktivitäten
Um die Beurteilung der Effizienz des Hochsetzstellers (PFC-Wandler) vorzunehmen, 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 von Traco evaluierte Versuchsaufbau wurde mit einer mittleren Schaltfrequenz von 100 kHz betrieben. Bei der Messung für die Eingangsspannungen von 110 und 230 VAC wurde der Drosselstrom ermittelt.
Weil die Höhe der Stromwelligkeit von der Differenz der Eingangsspannung zur Boost-Spannung abhängt, ergibt sich bei niederer Eingangsspannung eine größere Restwelligkeit des Stromes als bei Betrieb mit höherer Spannung. Die Verlustwärme des magnetischen Materials der Induktivität sind bei geringer Eingangsspannung wesentlich größer und müssen deshalb für diesen ungünstigen Betriebsfall entsprechend ausgelegt werden.
Bei der Betrachtung der Kernverluste stellt man fest: Umso geringer sie sind, desto geringer ist die Welligkeit des Stroms in der Induktivität. Hier bietet ein PFC-Wandler mit GaN-Transistoren die Möglichkeit, magnetische Materialien für die Induktivität einzusetzen, die eine sehr hohe magnetische Sättigungsflussdichte aufweisen, trotz relativ hohen spezifischen Ummagnetisierungsverlusten. Dadurch können höhere Schaltfrequenzen bei geringer Schaltverlustleistung mit einigen hundert kHz eingesetzt werden.
Dies ermöglicht eine weitere Reduzierung des Bauvolumens der Induktivität. Grundlegend setzt sich der Wirkungsgrad eines PFC-Wandlers aus den Durchlass- und Schaltverlusten der Halbleiterschalter sowie den Ohmschen- und Magnetisierungsverlusten der Induktivität zusammen. Die Gesamtverluste wurden gemessen und die Aufteilung der Einzelverluste rechnerisch aufgeteilt. Wegen der höheren Ströme bei niederer Eingangsspannung und höheren Verlusten im magnetischen Material der Induktivität ist der Wirkungsgrad stark von der Netzeingangsspannung abhängig.
Fazit
Abschließend ist zu sagen, dass mit dem Einsatz von GaN-Transistoren mit einer geeigneten Schaltungstopologie in PFC-Wandlern ein sehr hoher Wirkungsgrad von über 99 Prozent erreicht werden kann, dass der ON-Widerstand der wirtschaftlich vertretbar einsetzbaren GaN-Transistoren für kleine Netzspannungen jedoch noch deutlich zu hoch ist und dass für die Netzdioden aktiv geschaltete MOSFETs eingesetzt werden müssen. Es werden dann Wirkungsgrade erreicht, die drei bis fünf Prozent über denen eines PFC-Wandlers mit konventionellen MOSFETs mit Brückengleichrichter liegen.
Im Zusammenwirken des PFC-Wandlers mit einem Resonanzwandler in einem Netzgerät können damit Gesamtwirkungsgrade von über 96 Prozent erreicht werden. Die Anwendung von GaN-Transistoren in Schaltnetzteilen eröffnet neue Möglichkeiten in Bezug auf Schaltfrequenz, Wirkungsgrad und Baugröße. Voraussetzung für einen wirtschaftlichen Einsatz in Netzgeräten und Wandlern ist jedoch die weitere Reduktion der Preise.
