Die Probleme von GaN und SiC Wenn schnelle Schalter neue Verluste erzeugen

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GaN- und SiC-Transistoren senken die klassischen Schaltverluste durch bisher unerreichte Schaltfrequenzen. In realen Designs verschiebt sich jedoch das Problem vom Halbleiter hin zur Induktivität, die unter den schnellen Flanken zur neuen Verlustquelle wird.

Netzteile, On-Board-Charger und Server-Versorgungen erreichen immer höhere Wirkungsgrade. Grund dafür sind Wide-Bandgap-Halbleiter wie zum Beispiel GaN und SiC. Das Versprechen: höhere Schaltfrequenzen, kleinere Induktivitäten, bessere Wirkungsgrade. In den Datenblättern stimmt das. Reale Messungen zeigen aber oft ein anderes Bild. Die Schaltverluste der Halbleiter sinken zwar drastisch, doch gleichzeitig rücken Effekte in den Vordergrund, die lange Zeit als zweitrangig galten. Nicht mehr der Transistor bestimmt den Wirkungsgrad, sondern die Induktivität.

Der Grund ist kein neues Phänomen, sondern eine Verschiebung der Dominanz. Schnelle Flanken und steigende Frequenzen verlagern die Verlustmechanismen vom Halbleiter in die Induktivität. Was früher vernachlässigbar war, kann zum limitierenden Faktor werden.

Was GaN und SiC physikalisch verändern

Leistungsschalter aus GaN und SiC erlauben sehr hohe Spannungs- und Stromänderungsgeschwindigkeiten. Die Flankensteilheiten dv/dt und di/dt erreichen Werte, die mit Silizium kaum realisierbar waren. Typische Schaltfrequenzen steigen vom Kilohertz- in den Megahertz-Bereich.

Die klassischen Schaltverluste eines Transistors lassen sich vereinfacht mit folgender Formel beschreiben:

mit P_sw (Schaltverluste), V_DS (Drain-Source-Spannung), I_D (Drain-Strom), f (Schaltfrequenz), t_r (Anstiegszeit), t_f (Abfallzeit).

Da die Anstiegs- und Abfallzeiten t_r und t_f bei GaN und SiC sehr klein sind, sinkt dieser Anteil deutlich. Der Entwickler gewinnt scheinbar Spielraum. Dieser Spielraum wird jedoch unmittelbar durch erhöhte Verluste in der Induktivität aufgezehrt.

Die Induktivität unter hochfrequentem Stromripple

In einem Abwärtswandler ergibt sich der Stromripple der Induktivität aus:

mit V_in(max) (maximale Eingangsspannung), V_out (Ausgangsspannung), D (maximaler Duty Cycle), f_s (minimale Schaltfrequenz), L (Ausgewählte Induktivität).

Mit steigender Schaltfrequenz f_s könnte die Induktivität L kleiner gewählt werden. In der Praxis wird dieser Vorteil durch die steileren Stromverläufe relativiert. Der Strom enthält deutlich stärkere hochfrequente Anteile. Die Induktivität wird nicht mehr mit einem nahezu dreieckförmigen Strom beaufschlagt, sondern mit einem Signal, dessen spektrale Zusammensetzung weit in den Hochfrequenzbereich reicht. Damit steigen die frequenzabhängigen Verluste im Leiter und im Kern überproportional an.

Skin-Effekt als dominanter Verlustmechanismus

Der Skin-Effekt bewirkt, dass Wechselstrom nicht mehr den gesamten Leiterquerschnitt nutzt. Die Stromdichte konzentriert sich auf eine Randschicht mit der Dicke

wobei ρ der spezifische Widerstand, ω = 2 π f die Kreisfrequenz und µ die Permeabilität ist. Mit steigender Frequenz wird diese Eindringtiefe immer kleiner. Der wirksame Leiterquerschnitt schrumpft, der effektive Widerstand steigt stark an.

Der ohmsche Wicklungsverlust

wird dadurch zu einer frequenzabhängigen Größe. Bei hohen Schaltfrequenzen ist R_eff um ein Vielfaches größer als der Gleichstromwiderstand. Ein dicker Runddraht verschlechtert die Situation, da sein innerer Querschnitt praktisch nicht mehr genutzt wird.

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Proximity-Effekt und die Geometrie der Wicklung

Neben dem Skin-Effekt tritt der Proximity-Effekt auf. Magnetfelder benachbarter Windungen verdrängen den Strom zusätzlich in bestimmte Bereiche des Leiters. Diese Stromverdrängung erhöht die Verluste weiter, selbst wenn der Skin-Effekt allein noch beherrschbar wäre. Die Geometrie der Wicklung wird damit entscheidend. Flachdraht, Litzendraht, Kupferfolien oder planare Strukturen können zur optimalen Bauform werden.

Kernverluste steigen mit der Frequenz

Auch im Kernmaterial ändern sich die Vorzeichen. Die Kernverluste lassen sich näherungsweise mit der Steinmetz-Gleichung beschreiben. Die Steinmetz-Gleichung wurde ursprünglich nur für sinusförmige Anregung entwickelt und gilt für PWM-Anwendungen nur in modifizierter Form:

Die Exponenten a und b liegen materialabhängig typischerweise über eins. Eine Verdopplung der Frequenz führt somit zu einer überproportionalen Erhöhung der Kernverluste. Klassische Ferritmaterialien geraten hier schnell an thermische Grenzen.

Gleichzeitig erhöht der größere Stromripple die Flussdichteänderung B, was die Verluste weiter verstärkt. Pulverkerne, nanokristalline Materialien und verteilte Luftspalte werden notwendig, um Sättigung und Erwärmung zu beherrschen.

EMV als direkte Folge

Die steilen Flanken der GaN- und SiC-Schalter erzeugen starke hochfrequente Felder. Die Induktivität wird zur Quelle von Streufeldern, die sowohl Differenz- als auch Gleichtaktstörungen anregen. Viele EMV-Probleme moderner Wandler sind nicht primär auf das Layout oder den Schalter zurückzuführen, sondern auf das magnetische Bauteil.

Die parasitären Kapazitäten zwischen Wicklungen und zum Kern koppeln diese Störungen in das System ein. Damit wird die Induktivität nicht nur zu einem thermischen, sondern auch zu einem elektromagnetischen Problem.

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Induktivitäten werden zur Entwicklungsdisziplin

Induktivitäten lassen sich unter diesen Bedingungen nicht mehr allein anhand von Nenninduktivität und Strombelastbarkeit auswählen. Frequenzabhängige Widerstände, Kernmaterialeigenschaften, Wicklungsgeometrie, thermische Anbindung und parasitäre Elemente müssen berücksichtigt werden. Simulation, Messung und Charakterisierung werden zu notwendigen Werkzeugen. Die Auswahl der Induktivität ist damit selten eine Katalogentscheidung, sondern ein integraler Bestandteil des Schaltungsdesigns.

Die neue Engstelle im Wirkungsgrad

GaN und SiC reduzieren die Verluste dort, wo Entwickler sie jahrzehntelang vermutet haben: im Schalter. Gleichzeitig zwingen sie dazu, die Aufmerksamkeit auf ein Bauteil zu richten, das lange als unkritisch galt. Die Induktivität bestimmt heute maßgeblich Wirkungsgrad, Temperaturverhalten und EMV-Robustheit moderner Leistungswandler. Wer mit diesen Halbleitern arbeitet und der Magnetik nicht die gleiche Sorgfalt widmet wie dem aktiven Bauelement, verschenkt das Potenzial der Technologie bereits im ersten Entwurf. (mr)

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