Power-Tipp GaN-Wandler verändern das Stromversorgungs-Design

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GaN-Wandler reduzieren Schaltverluste, kommen mit neuartigen Schaltungstechniken und besserer Integration von Komponenten. Auch das Wärmemanagement ist besser und überwindet Leistungsgrenzen von Silizium. Wie das geht, zeigt dieser Power-Tipp.

Stromversorgungs-Designs mit Wandler-ICs und diskreten Leistungs-FETs auf Siliziumbasis dominierten über viele Jahre das Design von Stromversorgungen. Der Trend zu immer höheren Schaltfrequenzen und größerer Leistungsdichte bringt diese Technik jedoch an ihre Grenzen und rückt GaN immer stärker in den Fokus.

Leistungs-FETs auf GaN-Basis bieten bessere elektrische Eigenschaften als Silizium-Bausteine, und besonders die Integration von Leistungs-FETs, Gate-Treibern, Controllern und passiven Bauelementen in einem gemeinsamen kompakten Gehäuse erschließt hinsichtlich Wirkungsgrad und Leistungsdichte neue Dimensionen.

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Die Bausteine LMG708B0 (80-V-Abwärtswandler) und LMG5126 (42-V-Aufwärtswandler) sind 50 % kleiner als entsprechende Siliziumlösungen, ohne dass Abstriche am Wirkungsgrad gemacht werden müssen. Diese Verbesserungen stützen sich auf vier Säulen, nämlich weniger Schaltverluste, spezielle Schaltungstechniken, die Integration mehrerer Bauelemente und Gehäuse mit verbesserten thermischen Eigenschaften.

Die Reduktion der Schaltverluste ermöglicht eine höhere Schaltfrequenz und die Nutzung kleinerer passiver Bauelemente. Die Wide-Bandgap-Eigenschaften (WBG) und die laterale Struktur GaN-basierter Leistungs-FETs im Anreicherungsmodus ermöglichen, verglichen mit Silizium-Leistungsbausteinen, einen niedrigeren R_DS(on)-Wert sowie geringere parasitäre Ladungen (Q_G, Q_GD und Q_OSS). Außerdem fehlen bei GaN-FETs die Body-Diode und die zugehörige Sperrverzögerungsladung (QRR)_.

Die verbesserten Schalteigenschaften und die reduzierten parasitären Effekte von GaN-Wandlern senken zudem die Gesamt-Verlustleistung. Dadurch ist es möglich, die Schaltfrequenz zu steigern, die induktiven und kapazitiven Bauelemente zu verkleinern und die Kühlkörper kleiner zu wählen oder ganz wegzulassen.

Bessere Skalierbarkeit und Wirkungsgrad bei geringer Last

Neuartige Schaltungstechniken verbessern die Skalierbarkeit und den Wirkungsgrad bei geringer Last. Der GaN-Abwärtswandler LMG708B0 bringt beispielsweise eine intelligente Mehrphasen-Taktsynchronisation mit, die Frequenz- und Phasenlagen-Informationen per Daisy-Chaining zwischen den Phasen kommuniziert. Das resultierende Interleaving verringert die Welligkeit des Eingangsstroms und ermöglicht die Verwendung kleinerer EMI-Filter. Bild 1 zeigt ein Schaltungsbeispiel.

Herkömmliche Auf- und Abwärtswandler für Spannungen von 12 bis 80 V und Ströme über 20 A erfordern üblicherweise mindestens vier diskrete Leistungsbausteine, zu denen die high- und low-seitigen FETs gehören. Eine MCM-Lösung (Multi-Chip Module) dagegen konsolidiert das gesamte Design in einem 4,5 mm x 6 mm x 0,8 mm messenden 22-Pin-Gehäuse in FCRLF-Bauart (Flip-Chip Routable Leadframe), das vier Chips enthält (zwei GaN-FETs, Controller und Boot-Trench-Kondensator). Diese Verkleinerung bietet ideale Voraussetzungen für die steilen Spannungs- und Stromflanken von GaN-Bausteinen.

Die bei den GaN-Wandlern LMG708B0 und LMG5126 angewandte FCRLF-Technik unterstützt ein thermisch optimiertes Gehäuse mit zwei Wärmeableitwegen. Die Rückseiten der beiden GaN-FETs sind mit der Gehäuseoberseite verbunden, was eine optionale zweiseitige Kühlung über einen oben angebrachten Kühlkörper ermöglicht. Ohne Kühlkörper fließt der Großteil der Wärme über die Unterseite in die mehrlagige Leiterplatte und an die Umgebung ab, während bei vorhandenem Kühlkörper auch die Oberseite zur Entwärmung beiträgt (Bild 2).

Wie die Abbildung verdeutlicht, entstehen hierdurch zwei parallele Entwärmungswege, die den thermischen Widerstand zwischen Sperrschicht und Umgebung reduzieren. Der IC kann deshalb mit niedrigerer Betriebstemperatur betrieben werden. Alternativ lässt sich der Betriebsstrom bei gegebener Gehäusetemperatur entsprechend anheben. (kr)

* Timothy Hegarty ist Mitglied Technical Staff Switching Regulators bei Texas Instruments in Dallas, USA.

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