Leistungsfaktor-Korrektur Brückenlose PFC-Schaltung mit GaN

Autor / Redakteur: Zan Huang * / Gerd Kucera

Der Beitrag skizziert, wie mit 600-V-GaN-auf-Si-HEMTs und dem Prototypen einer LLC-Schaltung (200 KHz, 240 W, 390/12 V) ein Systemwirkungsgrad von 97,2% erreicht wurde.

Bild 1: Die auf GaN-Technologie basierende Stromversorgung von Transphorm übertrifft die höchsten bisher mit Silizium möglichen Wirkungsgrade um mindestens ein Prozent.
Bild 1: Die auf GaN-Technologie basierende Stromversorgung von Transphorm übertrifft die höchsten bisher mit Silizium möglichen Wirkungsgrade um mindestens ein Prozent.
(Bild: Transphorm)

Auf die Möglichkeit der Stromwandlung mit erhöhten Wirkungsgraden unter Verwendung von HEMTs (High Electron Mobility Transistoren) aus GaN (Gallium Nitrid) und schnell schaltenden Dioden wurde lange gewartet. Jetzt werden diese Bauteile von Transphorm in Serie produziert. Das Unternehmen in Goleta/Karifornien entwickelt von der Materialtechnologie und dem Schaltungsentwurf bis hin zur Bauteilfertigung und Modulmontage geeignete Stromwandlerbausteine, die bis zu 90% der elektrischen Umwandlungsverluste reduzieren. Mehr als 30 Patente schützen die anwendungsspezifischen Power-Module.

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Der Artikel beschreibt die Totem-Pole-PFC-Schaltung und die LLC-DC/DC-Umrichter, die die hohe Schaltgeschwindigkeit, den geringen On-Widerstand (RDS(on)) und die außergewöhnlich geringe Speicherladung (Qrr) der GaN-HEMT-Schalttransistoren ausnutzen, um einen kombinierten Gesamtwirkungsgrad von über 97% zu erzielen.

Die brückenlose Totem-Pole-PFC-Schaltung

Bild 2 zeigt eine brückenlose Totem-Pole-PFC-Topologie mit zwei schnellen Bauelementen (S1 und S2), einer Drossel (LB) und zwei preiswerten, langsamen Dioden (D1, D2). Die Schwierigkeit der Implementierung dieser Schaltung liegt in der Tatsache, dass während der Totzeit, wenn beide Transistoren sperren, eine der Body-Dioden leitend wird und einen Freilaufstrom im kontinuierlichen Strombetrieb (CCM) ermöglicht.

Beim anschließenden „harten“ Einschalten kann die Speicherladung der Body-Diode der Si-Hochspannungs-MOSFETs hohe Strom-Spannungs-Spitzen verursachen, was die Schaltung neben hohen Schaltverlusten zudem instabil macht. Der Schlüssel zur Implementierung einer erfolgreichen Totem-Pole-Schaltung basiert auf Halbleitern der neuesten Generation mit niedrigen On-Widerständen bei gleichzeitig geringer Speicherladung.

Die Totem-Pole-PFC in GaN-Technologie

Die industrieweit ersten, auf kostengünstigem Si-Substrat hergestellten, zertifizierten 600-V-GaN-High-Electron-Mobility-Transistoren (HEMTs) wurden von Transphorm eingeführt. Diese GaN-Leistungsbausteine der ersten Generation besitzen einen niedrigen On-Widerstand von typischerweise 0,15 Ω und ermöglichen einen Rückstrom während der Totzeit mit einer geringen Speicherladung (Qrr) von 54 nC, was 20 mal niedriger ist als bei ihren modernen Pendants aus Silizium (Bild 3).

Eine GaN-HEMT-Totem-Pole-PFC-Schaltung im CCM-Modus (Bild 1) mit Fokus auf Minimierung der Leitungsverluste wurde anhand eines vereinfachten Schaltbilds entwickelt. Sie besteht aus einem Paar schneller GaN-HEMT-Transistoren (Q1 und Q2), die bei einer hohen Pulsweitenmodulations (PWM)-Frequenz sowie einem Paar langsamer, aber äußerst widerstandsarmer MOSFETs (S1 und S2), die bei einer weitaus geringeren Frequenz (60 Hz) arbeiten. Der Hauptstrompfad enthält nur einen schnellen und einen langsamen Schalttransistor, ohne einen Dioden-Spannungsabfall. S1 und S2 haben die Funktion eines synchronisierten Gleichrichters. Die beiden GaN-HEMTs bilden einen synchronen Boost-Konverter, bei dem ein Transistor als Master-Schalter die Energieaufnahme durch die Boost-Drossel (LB) ermöglicht und der andere Transistor als Slave-Schalter die Energie an den Gleichstromausgang abgibt.

Die Rollen der beiden GaN-Bausteine vertauschen sich, wenn sich die Polarität des Eingangswechselstroms ändert, daher muss jeder Transistor in der Lage sein, sowohl die Master- als auch die Slave-Funktion zu übernehmen. Um einen Shoot-Through-Zustand zu vermeiden, ist eine Totzeit zwischen den beiden Schaltvorgängen vorgesehen, in der beide Transistoren kurzzeitig sperren. Um CCM-Betrieb zu ermöglichen, muss die Body-Diode des Slave-Transistors als Freilaufdiode fungieren, damit der Spulenstrom während der Totzeit fließen kann.

Der Diodenstrom muss allerdings schnell auf null zurückgehen und in den Rückwärts-Sperrzustand übergehen, sobald der Master-Transistor schaltet. Dies ist der kritische Vorgang bei einer Totem-Pole-PFC-Schaltung, die früher mit abnormalen Spitzen, Instabilitäten und den damit verbundenen hohen Schaltverlusten aufgrund der hohen Speicherladung der Body-Diode in modernen Si-Hochspannungs-MOSFETs verbunden war. Die geringe Speicherladung der GaN-Transistoren ermöglicht es, dieses Hindernis zu überwinden.

Der Leistungsfaktor als Funktion der Ausgangsleistung ist in Bild 4 gezeigt. Ein Spitzen-Wirkungsgrad von 99,0% wird bei 400 W erreicht, während der Gesamtwirkungsgrad zwischen 180 W und 1 kW bei über 98,6% liegt. Der Wirkungsgrad berechnet sich als das Verhältnis von Ausgangsleistung zu Eingangsleistung. Die Eingangsleistung ist die Summe aus Ausgangsleistung und Verlustleistung.

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Der Ausgang der oben beschriebenen Totem-Pole-PFC-Schaltung liefert eine ungeregelte Gleichspannung. In diesem Fall wird ein resonanter LLC-Umrichter zur Erzeugung der geregelten Ausgangsgleichspannung verwendet. Die LLC-Topologie ist aufgrund ihrer Eignung für den Betrieb bei hohen Schaltfrequenzen beliebt zur Erzielung einer hohen Leistungsdichte ohne den Nachteil hoher Verlustleistungen, was sich aufgrund des weichen Schaltens sowohl der primär- als auch auf der sekundärseitigen Bauelemente ergibt. Eine Beschränkung konventioneller LLC-Schaltungen mit Si-MOSFETs ist allerdings der Kompromiss zwischen Totzeit und Magnetisierungsstrom (Bild 5).

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Totzeit und Magnetisierungsstrom dienen zur Entladung der Ausgangskapazität (Coss) der MOSFETs, um ein Schalten im Nulldurchgang (ZVS) zu erreichen. Die formelhafte Beziehung zwischen Coss und diesen Parametern ist IM * td dividiert durch 2*Vin.

Die Kapazität Coss in dieser Gleichung entspricht der Parallelschaltung aus Drain-Source-Kapazität (CDS) und Gate-Drain-Kapazität (CGD). Eine weitere Angabe, die man häufig in MOSFET-Datenblättern findet, ist die Kapazität CO(tr), die als diejenige feste Kapazität definiert ist, die die gleiche Ladezeit wie Coss bewirkt, während VDS von 0 bis auf 80% der Drain-Source-Durchbruchspannung ansteigt. Da in dieser Gleichung angenommen wird, dass IM während der Totzeit konstant ist und die Ausgangskapazität als Stromquelle entlädt, sollte CO(tr) zur Darstellung des Wertes von Coss verwendet werden. Es ist belegt, dass GaN-Bauelemente im Vergleich zu Silizium-Superjunction-Bauelementen mit ähnlichem On-Widerstand eine um 60% geringere Ausgangskapazität aufweisen.

Unter Verwendung von 600-V-GaN-auf-Si-HEMTs der ersten Generation von Transphorm wurde mit einem Prototypen einer LLC-Schaltung (200 KHz, 240 W, 390/12 V) ein Umwandlungswirkungsgrad von 97,2% erreicht (Bild 6). Durch weitere Verfeinerungen wird eine Verbesserung dieses Wertes auf 97,5% und höher erwartet.

Stetige Bemühungen, um die Effizienz zu verbessern

Die Nachfrage der Industrie nach verbesserten Wirkungsgraden steigt ständig an und nähert sich 100%. Im Jahr 2007 hat das Freiwilligenprogramm namens 80-Plus geeignete Standards für den Wirkungsgrad anhand der Ergebnisse bei Computernetzteilen geschaffen, die bei verschiedenen Lasten getestet wurden. Die höchste Stufe, Platin (90%, 94% bzw. 91% Wirkungsgrad), wird nun durch die Stufe Titan ersetzt. Sie wird für Netzteile vergeben, die in der Lage sind, einen Wirkungsgrad von 92% bei einer Last von 20% und 96% Wirkungsgrad bei einer Last von 50% sowie 93% Wirkungsgrad bei einer Last von 100% zu erreichen.

Als Antwort auf die Nachfrage nach noch höheren Wirkungsgraden hat Transphorm die 600-V-GaN-HEMTs entwickelt, mit der eine geeignete Totem-Pole-PFC-Schaltung, wie beschrieben, realisierbar ist. Diese Technologie ermöglicht nicht nur die einfachste brückenlose PFC-Topologie mit der geringsten Anzahl an Bauelementen, sie erreicht dazu noch Spitzenwirkungsgrade von über 99%. Anders als selbst die fortschrittlichen Si-MOSFETs, die auf dem Markt verfügbar sind, verbessern die GaN-HEMTs den Wirkungsgrad der weich schaltenden LLC-Topologie durch die Reduzierung des für das weiche Schalten erforderlichen Magnetisierungsstroms und der Totzeit.

Mit einer PFC-Schaltung mit 99% Wirkungsgrad und einem angestrebten Wirkungsgrad von 98% für einen 1-kW-LLC-Wandler steht den Entwicklern von Power-Management-Systemen nun eine elegante und hocheffiziente Lösung zur Verfügung, die die bisherigen Standards übertrifft und dabei gleichzeitig den Schaltungsentwurf vereinfacht.

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* Zan Huang ist Field Apps and Marketing Manager bei Transphorm in Goleta/Kalifornien.

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