Power-Tipp GaN-Chips im TOLL-Gehäuse für kleinere Stromversorgungen

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Texas Instruments

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MTM Power Messtechnik Mellenbach GmbH

Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von Stromversorgungen besteht darin, immer höhere Leistungen bei minimalen Verlusten und einer hohen Packungsdichte zu erzielen. Das TOLL-Gehäuse bringt einen GaN-Chip in einen gängigen Formfaktor. So reduziert sich der Aufwand für zusätzliche Beschaltungen und komplizierte Leiterplattenlayouts.

Moderne Stromversorgungen müssen einen hohen Wirkungsgrad mit hoher Leistungsdichte verbinden. Man setzt deshalb zunehmend auf GaN-Bausteine, die hohe Schaltfrequenzen ermöglichen, sodass kleinere passive Bauelemente verwendet werden können, was der Leistungsdichte zugutekommt. Die mit GaN möglichen niedrigeren Schalt-, Gate-Ansteuerungs- und Sperrverzögerungs-Verluste sind wiederum günstig für den Wirkungsgrad.

Bei der Entwicklung von Produkten nach dem aktuellen Stand der Technik ist es im Interesse einer einfacheren Beschaffung ebenfalls wichtig, Bauelemente mit einem Industriestandard-Footprint zu verwenden. Bei den 650-V-FETs gewinnt deshalb das TOLL-Gehäuse (Transformer Outline Leadless) zunehmend an Popularität.

Für die Realisierung von Designs mit hoher Leistungsdichte und Zuverlässigkeit mit verschiedenen Schaltungstopologien sind integrierte Bauelemente wie der GaN-FET LMG3650R035 interessant. Neben dem Gate-Treiber sind in diesen Baustein auch mehrere Schutzfunktionen integriert, was den Bauteileaufwand verringert. Vorteilhaft ist außerdem, dass der Chip für mehrere Topologien wie etwa Totem-Pole-PFC (Power Factor Correction) und LC, phasenversetzte Vollbrückenschaltungen und doppelte aktive Brückenschaltungen in Frage kommen. Die Integration des Gate-Treibers ermöglicht ein einfaches, übersichtliches und dichtes Layout mit weniger parasitären Effekten (Bild 1), was besonders bei hohen Schaltfrequenzen zum Tragen kommt und einfachere Layouts gestattet.

Anwendungsmöglichkeiten von GaN-Chips im TOLL-Gehäuse

Die Anwendungsgebiete von Bausteinen im TOLL-Gehäuse sind zahlreich. Von Stromversorgungen für Rechenzentren und Mobilfunk-Infrastrukturen wird beispielsweise immer mehr Leistung gefordert, während die Abmessungen unverändert bleiben sollen. Dies stellt somit ein ideales Anwendungsfeld für 650-V-TOLL-Bausteine dar, die die Netzwechselspannung in der PFC- und DC/DC-Stufe in eine Gleichspannung umwandeln. In der PFC-Stufe wird dabei ein Wirkungsgrad von über 99 % erreicht, während die Effizienz in der DC/DC-Stufe über 98 % liegt.

Eine weitere Anwendung ist in Bild 2 zu sehen. Es handelt sich um einen Mikro-Wechselrichter für PV-Anlagen. Sowohl in der bidirektionalen DC/DC-Stufe als auch in der PFC- und Wechselrichterstufe können integrierte GaN-TOLL-Bausteine verwendet werden, um die Gleichspannung aus den PV-Panels in eine Wechselspannung zur Einspeisung in das Netz umzuwandeln. GaN-Bausteine im TOLL-Gehäuse sind bei der Skalierung auf unterschiedliche Leistungen und der Verwendung verschiedener Topologien hilfreich. Das Layout wirft dabei keine Probleme auf, da die Sensing- und Optimierungseigenschaften größtenteils in die Leistungsstufe integriert sind.

Ein weiteres Einsatzfeld findet sich in Stromversorgungen für Fernsehgeräte. Deren Displays werden immer größer und flacher, sodass die Stromversorgungen auch hier auf immer weniger Raum immer mehr Leistung bieten müssen. Hier können TOLL-Bausteine ihre Stärken sowohl in der PFC- als auch in der DC/DC-Stufe ausspielen, da kleinere passive Bauelemente verwendet werden können, die Schaltung mit weniger externen Bauelementen auskommt und ein höherer Wirkungsgrad möglich ist.

Eine bedeutende Anwendung stellen schließlich auch Elektrofahrzeuge dar. Um diese flexibel zu laden, werden sie mit Bordladegeräten (On-Board Chargers, OBCs) ausgestattet, die in ihren PFC- und DC/DC-Stufen ebenfalls von integrierten TOLL-Bausteinen profitieren – nicht nur durch höhere Schaltfrequenzen und geringere Verluste, sondern auch durch die eingebauten Schutzfunktionen, die die Resilienz des OBC-Designs verbessern, ohne dass vom Industriestandard-Footprint abgewichen werden muss. (kr)

Nach Unterlagen von Texas Instruments.

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