In der heutigen elektronischen Welt werden Stromwandler für alles benötigt, von medizinischen Geräten über Telefon- und Laptop-Ladegeräte bis hin zu Hilfsstromversorgungen. Ständig kleiner werdende Gehäusegrößen, Thermomanagement, variable Eingangsspannung und intelligente Ladeprotokolle machen das Design von Netzteilen und Wandlern immer komplexer und stellen gleichzeitig höhere Anforderungen an die Energieeffizienz.
Im letzten Jahrzehnt sind neue Schalttechnologien entstanden, die integrierte On-Chip-Schaltkreise (ICs) aus Galliumnitrid (GaN) nutzen. Die Eigenschaften von Galliumnitrid-Schaltkreisen variieren auf atomarer Ebene, sodass Entwickler von Leistungswandlern sowohl vor Herausforderungen als auch vor Lösungen stehen.
GaN-Halbleiter haben eine große Bandlücke; Mit 3,4 eV ist seine Bandlücke mehr als dreimal so groß wie die von Siliziumhalbleitern. Wie andere Materialien mit großer Bandlücke können GaN-Halbleiter bei höheren Spannungen und Temperaturen von bis zu +400 °C betrieben werden, wodurch sie sich für Anwendungen mit höherer Leistung eignen, sowie bei höheren Frequenzen, wodurch sie für Hochfrequenz- (RF) und 5G-Anwendungen geeignet sind.
Im Vergleich zu Silizium-ICs optimieren integrierte GaN-Schaltkreise mit Transistoren verbundene Verluste wie Serienimpedanz (RDS (ON)) und Parallelkapazität (COSS) bei kleineren Außenabmessungen in Leistungswandleranwendungen. Bei gleicher Grundfläche wie Silizium-ICs können GaN-ICs nicht nur höhere Frequenzen verarbeiten, sondern erzeugen auch weniger Wärme. Diese Funktion ermöglicht es Entwicklern, sperrige Kühlkörper zu verkleinern oder zu eliminieren.
Allerdings kann die Steuerung von GaN-Transistoren eine Herausforderung darstellen. Dieser Transistortyp kann hohen Frequenzen standhalten, was bedeutet, dass der Steuertreiber physisch in der Nähe des Transistors platziert werden muss, um Verzögerungen zu vermeiden und die Schaltgeschwindigkeit des Transistors effektiv zu reduzieren, wodurch unnötige elektromagnetische Störungen (EMI) vermieden werden. Entwickler von Leistungswandlern, die GaN verwenden, beseitigen diese Herausforderungen, indem sie ein einziges Gerät verwenden, das einen Hochspannungs-Leistungsschalter für die Primärseite (Eingang) und einen Steuer-IC und eine Rückkopplungsschaltung für die Sekundärseite (Ausgang) kombiniert.
Detaillierte Eigenschaften der Schalterbetätigung
Power Integrations nutzt die PowiGaN™ InnoSwitch 3-Technologie und hat mehrere Serien solcher verpackter Geräte entwickelt. Beispielsweise verwendet der Konvertierungsschalter-IC der InnoSwitch 3-CP-Serie (Abbildung 1) einen quasiresonanten (QR) Flyback-Controller, um Ausgänge mit konstanter Spannung (CV)/konstantem Strom (CC) bereitzustellen, um eine konstante Leistungskurve (CP) zu erreichen.
Die Primär- und Sekundärseite des IC sind elektrisch isoliert, die Ausgangsspannungs- und Strominformationen werden jedoch durch induktive Kopplung vom Sekundärcontroller zum Primärcontroller übertragen. Die FluxLink-Kommunikationstechnologie kann schnell genaue Informationen liefern, um eine schnelle Reaktion auf Lasttransienten zu erreichen und Frequenzen von bis zu 70 kHz zu schalten.