Evaluation Boards für die GaN-Technologie

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Während der negativen Halbwelle ist SD1 leitend und verbindet die Wechselstromquelle mit dem DC-Ausgangsbus. S1 ist der aktive Boost-Schalter und S2 leitet den freilaufenden Spulenstrom ab. Die Betriebsart ändert sich bei jedem Nulldurchgang des Wechselstroms Während der positiven Halbwelle, treibt die durch das Boost-Tastverhältnis bestimmte PWM den Schalter S2, während diese während der negativen Halbwelle den Schalter S1 treibt.

In der gezeigten Betriebsart arbeiten die Transistoren S1 und S2 als Freilaufdioden im Boost-Kreis. Die hohe Speicherladung (Qrr) der vorhandenen Silizium-MOSFETs würde den Betrieb der brückenlosen Totem-Pole-PFC-Schaltung im CCM-Modus (Continuous Conduction Mode) unpraktikabel machen und den Gesamtwirkungsgrad verringern, sofern die Effekte der Body-Drain-Diode nicht durch Verwendung einer seriellen als auch einer parallelen SiC-Diode eliminiert würden. Im Vergleich zu typischen Super-Junction-Transistoren sind GaN-HEMTs aufgrund ihrer geringen Speicherladung und der geringen Schaltverluste die perfekten Leistungshalbleiter für diese Topologie.

Das All-in-One-Demoboard für ein 250-W-Netzteil

Das aktuellste Demoboard (TDPS250E2D2) von Transphorm, das in Bild 4 zu sehen ist, ist ein Referenz-Design für ein 250-W-Netzteil für All-in-One-Computer und andere Kleinleistungsanwendungen, bei denen Größe und Wirkungsgrad eine Rolle spielen.

Dieser Schaltungsentwurf entstand aus einer Zusammenarbeit zwischen ON Semiconductor und Transphorm, die gezeigt hat, dass GaN-Lösungen in Konsum-Anwendungen bis zu einigen hundert Watt Vorteile bieten. Die Demoboards waren zuerst auf der APEC 2014 zu sehen, und das Referenz-Design wurde im September 2014 veröffentlicht.

Darüber hinaus hat Transphorm ein vollständiges Evaluation Board für ein 250-W-Netzteil entwickelt, das speziell auf die Anforderungen von All-in-One-Computern zugeschnitten ist. Das Board verwendet Steuer-ICs von ON Semiconductor (NCP4810, NCP1654, NCP1397, NCP4304 und NCP432) und drei 600-V-GaN-HEMTs von Transphorm, sowohl in den PFC- als auch in den resonanten Brückenkreisen, um die höhere Leistungsfähigkeit zu erreichen, die kleinere und flachere Systeme möglich macht.

Diese Anwendung nutzt die Vorteile der verbesserten Leistungsfähigkeit der GaN-HEMT-Bauteile nicht nur im festverdrahteten PFC-Kreis, sondern auch im resonanten Brückenkreis, in dem die äußerst niedrige Ausgangskapazität des GaN-HEMT eine schnellere Entladung der gespeicherten Energie ermöglicht und somit die Verluste verringert.

Das kompakte Board schaltet mit 200 kHz, um eine Verringerung der Größe um 45% zu ermöglichen. Gleichzeitig werden die Verluste um 30% reduziert, um einen Zielwirkungsgrad von über 95% zu erhalten. Dies verdeutlicht den Vorteil der Verwendung von GaN-Bauelementen zur Erzielung sowohl geringer Abmessungen als auch hoher Wirkungsgrade, was mit vorhandenen Lösungen auf Siliziumbasis nicht möglich ist. Mit seinem Universal-Wechselstromeingang ist das All-in-One-Netzteil-Evaluierungsboard in der Lage, bis zu 20 A bei 12 V Ausgangsspannung mit einem Spitzen-Wirkungsgrad von 95,4% aus dem 230-V-Netz zu liefern.

Ausblick: Was überraschen mag, ist die Schnelligkeit (3 Jahre), mit der SiC (Siliziumkarbid) in HF-Verstärker durch GaN ersetzt wurde. Während der Übergang auf GaN im Bereich der Leistungshalbleiter möglicherweise nicht ganz so schnell sein wird, erwarten wir dennoch, dass dieser aber viel schneller erfolgt, als es von den meisten Experten vorhergesagt wird.

* Carl Blake ist Senior Advisor Marketing bei Transphorm Inc, Goleta/Kalifornien.

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