GaN-Wandler für mobile Bordnetze Stabile Ausgangsspannung aus einem dynamischen 28-V-Netz

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SYKO Gesellschaft für Leistungselektronik mbH

ISH Ingenieursozietät GmbH

Nominelle 28-V-Bordnetze können im Betrieb hohen Schwankungen ausgesetzt sein. Soll daraus eine stabile Versorgung entstehen, muss der Wandler sowohl hoch- als auch tiefsetzen können. GaN ermöglicht kompaktere Wandler, erhöht aber den Entwicklungsaufwand.

Gleichspannungsnetze mit 28 V sind unter anderem in Luftfahrzeugen und militärischen Fahrzeugen verbreitet. Damit die Batterie geladen werden kann, muss die Bordspannung bei laufendem Generator höher liegen. Das aktive Bordnetz arbeitet deshalb nominell mit ungefähr 28 V. Die höhere Spannung hat den Vorteil, des geringeren Stroms bei gleicher Leistung. Dadurch sinken die ohmschen Verluste in Leitungen und Kontakten, oder es können kleinere und damit leichtere Leitungsquerschnitte verwendet werden. Besonders in mobilen Anwendungen ist dies ein wichtiges Kriterium.

Bei der Angabe handelt es sich natürlich nur um den Nominalwert. Die tatsächlich an den angeschlossenen Geräten anliegende Spannung hängt von vielen Faktoren ab. Große, dynamische Lasten können die Versorgung zeitweise deutlich einbrechen lassen. Beim Abschalten induktiver Verbraucher oder bei Änderungen im Generatorbetrieb können dagegen Überspannungen entstehen.

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Die Stromversorgung eines elektronischen Systems muss deshalb einen wesentlich größeren Spannungsbereich beherrschen, als die Bezeichnung 28-V-Bordnetz vermuten lässt. Für die hier betrachteten Wandler wird ein kontinuierlicher Eingangsbereich von 15 bis 34 V zugrunde gelegt. Bei reduzierter Ausgangsleistung ist teilweise ein Betrieb ab 9 beziehungsweise 6 V vorgesehen. Hinzu kommen kurzzeitige Load-dump-Spannungen von 50 V für 50 bis 280 ms und 70 V für 2 ms.

Ein reiner Abwärtswandler genügt nicht

Soll das Bordnetz eine stabile Ausgangsspannung von 24 V versorgen, liegt die Eingangsspannung nicht immer oberhalb des gewünschten Ausgangswerts. Bei 28 oder 34 V kann der Wandler die Spannung herabsetzen. Fällt das Bordnetz jedoch unter 24 V, muss er sie anheben.

Ein reiner Tiefsetzsteller scheidet damit ebenso aus wie ein reiner Hochsetzsteller. Benötigt wird eine Hoch-/Tiefsetzfunktion, die ihre Betriebsweise an das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung anpasst. Syko bezeichnet die Wiederherstellung einer konstanten Ausgangsspannung aus einem niedrigeren, ungefähr gleich hohen oder höheren Eingang als „Regeneration“.

Besonders anspruchsvoll ist der Betrieb bei niedriger Eingangsspannung. Soll die Ausgangsleistung erhalten bleiben, steigt der benötigte Eingangsstrom mit sinkender Spannung stark an. Halbleiter, Induktivitäten, Leiterbahnen, Steckverbinder und Filter müssen daher wesentlich höhere Ströme verkraften als im nominellen 28-V-Betrieb. Aus diesem Grund steht bei den niedrigsten Eingangsspannungen nur eine kurzzeitige oder reduzierte Ausgangsleistung zur Verfügung.

Parallele Wandlerpfade verteilen Strom

Eine Möglichkeit zur Verarbeitung hoher Ströme besteht darin, die Leistung auf mehrere parallel arbeitende Wandlerpfade aufzuteilen. Die vorgestellte Architektur verwendet dafür zwei voneinander unabhängige Stromstrings. Jeder Pfad übernimmt einen Teil des Gesamtstroms, sodass die einzelnen Halbleiter und magnetischen Bauelemente geringer belastet werden.

Die Parallelisierung allein sorgt allerdings noch nicht für eine gleichmäßige Aufteilung. Bauteiltoleranzen, unterschiedliche Leitungswiderstände und thermische Effekte können dazu führen, dass einer der Pfade mehr Strom übernimmt. Dadurch steigen seine Verluste und seine Temperatur, während der zweite Pfad entlastet wird.

Deshalb benötigt jeder String eine eigene Stromregelung. Eine übergeordnete Regelung koordiniert die Leistungspfade und hält zugleich die Ausgangsspannung konstant. Die Architektur arbeitet mit einer geregelten stromkaskadierten Stringtopologie. Dabei koordinieren gekoppelte Regelkreise die Stromaufteilung zwischen den Wandlerpfaden und stabilisieren die Ausgangsspannung. Die Aufteilung kann zudem die Ausfallsicherheit verbessern. Ein Kurzschluss oder eine Überlastung soll innerhalb eines Strings begrenzt werden, ohne das vorgeschaltete Bordnetz unkontrolliert zu belasten. Ob ein fehlerhafter Pfad vollständig abgeschaltet wird und der zweite Pfad einen eingeschränkten Weiterbetrieb ermöglicht, hängt von der konkreten Systemauslegung ab. Diese GaN-Wandler arbeiten bei Kommunikation, Steuerung und Regelung mit rein digitaler Prozessor-Topologie.

GSR für potenzialgebundene Ausgänge

Der GSR.DS.028.024.35/50 setzt diese Architektur mit zwei potenzialgebundenen Stromstrings um. Ein- und Ausgang besitzen somit ein gemeinsames Bezugspotenzial; eine galvanische Trennung ist nicht vorgesehen.

Die Komponente arbeitet nach Herstellerangaben an Eingangsspannungen von 15 bis 34 V. Bei reduzierter Leistung soll ein Betrieb ab 9 beziehungsweise 6 V möglich sein. Aus dem variablen Eingang erzeugt sie eine Ausgangsspannung von 24 V mit einer Toleranz von ±2 %. Alternativ ist eine Ausführung für 48 V vorgesehen.

Für die 24-V-Ausführung werden 35 A Dauerstrom und 50 A bei dynamischer Belastung genannt. Bei 48 V sind es 18 beziehungsweise 26 A. Die benötigten Hilfsspannungen für interne Potenzialebenen, Regelkreise und externe Schaltstufen erzeugt das System aus der Eingangsspannung. Der angegebene Umgebungstemperaturbereich reicht von −40 bis +70 °C. Abhängig von der Ausführung sind höhere Temperaturen vorgesehen.

Eine LLC-Stufe für galvanische Trennung

Nicht jede Anwendung darf Eingang und Ausgang auf dasselbe Bezugspotenzial legen. Ist eine galvanische Trennung erforderlich, ergänzt die als GRI bezeichnete Architektur das geregelte Frontend um eine LLC-Transformatorstufe mit Synchrongleichrichtung.

Das Frontend bereitet zunächst die stark schwankende Bordnetzspannung auf. Dadurch muss die nachgeschaltete LLC-Stufe nicht den gesamten Eingangsspannungsbereich ausregeln. Das ist wichtig, weil ein LLC-Wandler seine günstigen Schaltbedingungen nur in einem begrenzten Bereich um den ausgelegten Resonanzpunkt erreicht. Je weiter er sich davon entfernt, desto stärker können die Ströme in Resonanzkreis und Schaltern sowie die Verluste steigen.

Die Aufgabenteilung zwischen den Stufen erlaubt daher eine gezieltere Optimierung: Das Frontend übernimmt die Hoch-/Tiefsetzfunktion und begrenzt die Schwankungen des Zwischenkreises. Die LLC-Stufe übernimmt die galvanische Trennung und die weitere Spannungsübersetzung. Auf der Sekundärseite verringern synchron angesteuerte MOSFETs die Gleichrichtverluste gegenüber Dioden, was insbesondere bei niedrigen Ausgangsspannungen und hohen Strömen relevant ist.

Der vorgestellte GRI.DS.028.024.30/40 ist ebenfalls für 15 bis 34 V Eingangsspannung sowie die genannten kurzzeitigen Überspannungen vorgesehen. Als Dauerleistung werden 700 W angegeben, kurzzeitig sollen für bis zu vier Sekunden 1.000 W verfügbar sein. Neben einem 24-V-Ausgang sieht die Architektur Ausführungen mit höheren galvanisch getrennten Ausgangsspannungen vor. Um die Schaltung ionisations- bzw. strahlungsfest zu machen, verzichtet die Regelung der Ausgangsspannung auf optoelektronische Bauelemente wie Optokoppler.

Mehrspannungssysteme aus Wandlerstufen

Mobile elektronische Systeme benötigen häufig mehrere Versorgungsspannungen. Neben einem leistungsstarken 24- oder 48-V-Ausgang werden beispielsweise 5,1 und 3,3 V sowie zusätzliche Kleinleistungsausgänge für Steuerungen, Sensoren und Kommunikationsschnittstellen benötigt. GSR- und GRI-Stufen können dazu in kundenspezifischen Multi-Voltage-Systemwandlern kombiniert werden. Das Frontend entkoppelt die nachfolgenden Versorgungen von den Schwankungen des Bordnetzes. Je nach Isolationsanforderung schließen sich potenzialgebundene oder galvanisch getrennte Wandlerstufen an. Für höhere Load-Dump-Spannungen können zusätzliche aktive Eingangsfilter vorgesehen werden. Ihre Aufgabe besteht darin, die nachfolgenden Wandler vor länger anstehenden Überspannungen zu schützen und gleichzeitig eine unerwünschte Stromrückwirkung auf das Bordnetz zu vermeiden. Die dafür erforderlichen Hilfsspannungen werden aus dem Systemwandler bereitgestellt.

Was GaN bei niedrigen Spannungen ändert

Die beschriebenen Funktionen lassen sich grundsätzlich auch mit Silizium-MOSFETs realisieren. GaN wird deshalb nicht benötigt, um überhaupt aus einem schwankenden Eingang stabile 24 V zu erzeugen. Der erwartete Vorteil liegt vielmehr in einer höheren Schaltfrequenz.

Syko untersucht eine Anhebung von bisher etwa 60 bis 100 kHz auf ungefähr 250 bis 350 kHz. Mit steigender Frequenz sinkt die Energie, die Induktivitäten und Transformatoren während einer einzelnen Schaltperiode übertragen müssen. Dadurch können magnetische Bauelemente, Kondensatoren und Teile der Filterung kleiner ausfallen.

GaN-Transistoren eignen sich aufgrund ihrer geringen Gate-Ladung, kleinen Ausgangskapazitäten und fehlenden beziehungsweise sehr geringen Reverse-Recovery-Ladung für schnelle Schaltvorgänge. Dadurch können sie den Anstieg der Schaltverluste begrenzen, der normalerweise mit einer höheren Frequenz verbunden ist.

Die höhere Frequenz führt jedoch nicht automatisch zu einem höheren Wirkungsgrad. Kürzere Schaltperioden verringern zwar die erforderliche Größe der passiven Bauelemente, gleichzeitig steigen aber die Zahl der Schaltvorgänge und die frequenzabhängigen Verluste.

In magnetischen Bauelementen nehmen Kernverluste sowie Skin- und Proximity-Effekt zu. Auch die Verluste durch das Laden und Entladen parasitärer Kapazitäten gewinnen an Bedeutung. Die Auslegung besteht deshalb aus einem Zielkonflikt zwischen Baugröße, Wirkungsgrad, Temperatur und EMV. Entscheidend ist nicht die höchstmögliche Schaltfrequenz, sondern der Punkt, an dem die Verkleinerung der passiven Bauelemente den zusätzlichen Verlust- und Kühlaufwand noch rechtfertigt.

Silizium bleibt relevant

Bei einem 28-V-Bordnetz besitzt Silizium weiterhin eine starke Position. Für Sperrspannungen von 60 bis 100 V stehen MOSFETs mit sehr niedrigen Einschaltwiderständen zur Verfügung. Da bei niedriger Eingangsspannung hohe Ströme fließen, können die Leitverluste einen erheblichen Anteil der Gesamtverluste ausmachen.

GaN kann seine Vorteile daher vor allem dann ausspielen, wenn die Schaltverluste und die Größe der magnetischen Bauelemente die Auslegung bestimmen. Dominieren dagegen die ohmschen Verluste in Halbleitern, Induktivitäten, Leiterbahnen und Steckverbindern, muss GaN nicht zwangsläufig die bessere Systemlösung sein.

Hinzu kommen die schnellen Spannungs- und Stromänderungen. Bereits kleine parasitäre Induktivitäten im Kommutierungspfad können dadurch Überspannungen und Schwingungen verursachen. Die räumliche Anordnung der Transistoren, Treiber, Kondensatoren und Stromrückwege wird daher zu einem zentralen Bestandteil der Schaltungsentwicklung.

Die erforderlichen Luft- und Kriechstrecken bleiben vom eingesetzten Halbleitermaterial unabhängig. Maßgeblich sind die Betriebsspannung, transiente Überspannungen, das Isolationskonzept, der Verschmutzungsgrad und die anzuwendenden Normen. Der Einsatz von GaN ermöglicht daher nicht automatisch geringere Isolationsabstände.

SiC übernimmt den Hochvoltbereich

Während GaN in den beschriebenen Systemen für niedrige Bordnetzspannungen und höhere Schaltfrequenzen untersucht wird, setzt Syko bei höheren Spannungen weiterhin auf SiC. Als Beispiel nennt das Unternehmen einen 15-kW-Frequenzumrichter für die Bahntechnik mit einer Zwischenkreisspannung bis 850 V.

Die Eingangsleistung wird dabei auf drei parallel arbeitende Strompfade verteilt. Aufgrund der Zwischenkreisspannung kommt eine Dreistufentopologie mit Schwebekondensatoren zum Einsatz. Sie verteilt die anliegende Spannung auf mehrere Schaltzustände und reduziert damit die Spannungsbeanspruchung der einzelnen Halbleiter. SiC und GaN stehen in diesen Anwendungen folglich nicht unmittelbar miteinander im Wettbewerb. GaN soll im Niedervoltbereich höhere Schaltfrequenzen und kleinere passive Bauelemente ermöglichen. SiC adressiert höhere Sperr- und Zwischenkreisspannungen. Silizium bleibt bei niedrigen Spannungen eine wirtschaftlich und technisch relevante Alternative.

Entscheidend für den Wechsel zu GaN ist daher die Betrachtung des Gesamtsystems. Die höhere Schaltfrequenz erlaubt kleinere Induktivitäten, Transformatoren und Filterbauelemente. Gleichzeitig steigen jedoch die frequenzabhängigen Verluste in den magnetischen Bauelementen sowie die Anforderungen an Leiterplattenlayout, Kühlung und EMV. Werden Schaltfrequenz, Magnetik und Kommutierungspfade aufeinander abgestimmt, kann GaN das Volumen und die Masse der passiven Bauelemente reduzieren. Die Technologie bietet das Potenzial, 28-V-Stromversorgungen kompakter aufzubauen und die Leistungsdichte zu erhöhen. (mr)

* Dipl. Ing. Reinhard Kalfhaus ist Geschäftsführender Gesellschafter bei SYKO Gesellschaft für Leistungselektronik mbH.

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