Power-Tipp GaN: Effizientere PFC-Stufen in Totem-Pole-Konfiguration

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Die Vorteile von Galliumnitrid-Halbleitern in PFC-Stufen mit Totem-Pole-Konfigurationen sind offensichtlich. Im Power-Tipp erklären wir, welche Vorteile bei Leistungsdichte und Energieeffizienz Galliumnitrid gegenüber Silizium und Siliziumkarbid bringt.

Nahezu alle modernen industriellen Systeme sind mit einem Netzteil ausgestattet, das Energie aus dem Wechselstromnetz entnimmt und als geregelte Gleichspannung an den jeweiligen Verbraucher ausgibt. Der Wirkungsgrad, mit dem diese Umwandlung erfolgt, wird nicht zuletzt aus Umweltschutzgründen immer wichtiger.

Eine Möglichkeit, die Effizienz zu verbessern, sind Galliumnitrid-Halbleiter (GaN). Das wirtschaftliche Potenzial sollte hier nicht unterschätzt werden: selbst wenn durch die Verwendung einer GaN-basierten PFC-Stufe (Power Factor Correction; dt.: Leistungsfaktor-Korrektur) in Totem-Pole-Konfiguration nur eine Wirkungsgradsteigerung von 0,8 Prozent erreicht wird, lassen sich bei einem Rechenzentrum mit einer Leistungsaufnahme von 100 MW in zehn Jahren bis zu 6,4 Mio. Euro Energiekosten einsparen.

Die Wahl der richtigen PFC-Topologie

Die Verwendung einer PFC-Stufe ist weltweit vorgeschrieben. Hierfür kommen verschiedene Topologien in Frage. Bei den herkömmlichen PFC-Schaltungen unterscheidet man zwischen der Boost-PFC-Schaltung (Bild 1, rechts) und der Dual-Boost-Konfiguration (Bild 1, links).

Erstere enthält einen Brückengleichrichter mit sehr hohen Leitungsverlusten. Die Dual-Boost-Schaltung kommt zwar ohne Brückengleichrichter aus, enthält dafür aber eine zusätzliche Induktivität.

Bei der brückenlosen PFC-Schaltung mit AC-Schalter (Bild 2, links) sind zwei Hochfrequenz-FETs im Ein-Zustand leitend, im Aus-Zustand dagegen eine SiC-Diode und eine Siliziumdiode. Bei der Active-Bridge-PFC-Schaltung (Bild 2, Mitte) wird der mit dem Netz verbundene Brückengleichrichter durch vier NF-FETs ersetzt, die allerdings zusätzliche Ansteuer- und Treiberschaltungen benötigen. Im Ein-Zustand sind hier drei FETs leitend, im Aus-Zustand zwei NF-FETs und eine SiC-Diode.

Vorteile von GaN in Totem-Pole-PFC-Schaltungen

Bei der Totem-Pole-PFC-Schaltung (Bild 2, rechts) leiten im Ein- wie im Aus-Zustand jeweils nur ein HF- und ein NF-FET, sodass hier die niedrigsten Verluste aller drei Konfigurationen entstehen. Außerdem kommt diese Variante mit den wenigsten Leistungshalbleitern aus, sodass sie in Sachen Bauteileaufwand, Wirkungsgrad und Systemkosten unter dem Strich am besten abschneidet.

Herkömmliche Silizium-MOSFETs sind für Totem-Pole-PFC-Schaltungen eher nicht geeignet, da sie eine Body-Diode (Inversdiode) mit sehr hoher Sperrverzögerungsladung beinhalten, die hohe Verluste verursacht und das Risiko von Schäden durch Shoot-Through-Ströme birgt.

Leistungs-MOSFETs auf SiC-Basis bringen hinsichtlich der Body-Diode eine gewisse Verbesserung, aber erst bei GaN fallen die Verluste durch die Sperrverzögerung komplett weg und die Schaltenergie ist hier am niedrigsten (50% geringer als bei vergleichbaren SiC-MOSFETs).

Ausschlaggebend hierfür sind die höhere Schaltgeschwindigkeit von GaN (100 V/ns und mehr), die geringere parasitäre Ausgangskapazität und die bereits erwähnten nicht existenten Verluste durch die Sperrverzögerung. Nicht zuletzt fällt das Shoot-Through-Risiko bei GaN-FETs wegen der fehlenden Body-Diode vollständig weg.

GaN-Applikationsbeispiele: Wirkungsgrad 98 bis 99 Prozent

TI hat mit der Firma Vertiv eine Schaltung entwickelt, die bei einem 3,5-kW-Gleichrichter des Unternehmens einen maximalen Wirkungsgrad von 98% erzielte. Gegenüber der vorigen Generation auf Basis von Silizium-Halbleitern wurde eine Verbesserung um 1,7 Prozent erzielt.

Die Firma Delta Electronics konnte wegen der wegfallenden Sperrverzögerungs-Verluste sowie der geringeren Ausgangskapazität und Überschneidungsverluste bei GaN-Halbleitern energieeffiziente Server-Stromversorgungen mit einem maximalen Wirkungsgrad von 99,2 % realisieren.

Der integrierte Gatetreiber der GaN-FETs ermöglicht eine Schaltgeschwindigkeit von bis zu 150 V/ns, was die Gesamtverluste bei hohen Schaltfrequenzen senkt und es Delta ermöglichte, die Leistungsdichte um 80% und den Wirkungsgrad um einen ganzen Prozentpunkt zu verbessern. (kr)

* Noah Rodriguez ist Product Marketing Engineer bei Texas Instruments in Dallas / USA.

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