Thermische Vorteile von hocheffizienten GaN-Netzteilen

Bei der Planung von Off-Board-AC/DC-Netzteilen für neue Anwendungen werden häufig Komponenten auf Siliziumbasis (Si) verwendet, obwohl die elektrischen Eigenschaften und die Effizienz von Alternativen auf Galliumnitridbasis (GaN) besser sind. Das mag an den seit langem bestehenden Annahmen über die Kostenwirksamkeit liegen oder daran, dass es lange Zeit die Standardwahl war. Dabei wird jedoch möglicherweise der geringere Kühlungsbedarf der GaN-basierten Optionen übersehen.

Si-Halbleiter sind seit der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts die Hauptstütze der Elektronikindustrie. GaN wurde in den 1930er Jahren synthetisiert, aber es dauerte viel länger, bis es sich durchsetzte. Die erste allgemeine Anwendung in Leuchtdioden erfolgte Anfang der 1990er Jahre, und eine breitere Verwendung wurde möglich, nachdem die Herstellung von GaN-Transistoren als Alternative zu Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) kommerziell möglich wurde.

Dennoch beherrschte Si weiterhin die Domäne der AC/DC-Netzteile. Durch die Verwendung etablierterer Herstellungsverfahren könnten die Anbieter mehr Siliziumtransistoren innerhalb der Kostenvorgaben bereitstellen, aber Si-basierte Komponenten stoßen auf Leistungs- und thermische Einschränkungen, was die Tür zu einer breiteren Betrachtung von GaN-Alternativen öffnet.

Dank der höheren Elektronenbeweglichkeit und der breiten Bandlücke können Stromversorgungen, die GaN verwenden, bei höheren Frequenzen mit größerer Effizienz und in kleineren Formfaktoren arbeiten.

Vorteile von GaN in Stromversorgungen

GaN-Transistoren haben einen geringeren Widerstand und geringere Schaltverluste als Si-Transistoren, schalten schneller und verbrauchen weniger Strom. Sie haben eine bessere Wärmeleitfähigkeit und können bei höheren Temperaturen arbeiten als Siliziumtransistoren. Dadurch wird der Bedarf an sperrigen und lauten Kühlkomponenten wie Kühlkörpern, Rahmen oder Lüftern reduziert.

Die Reduzierung der Komponenten verbessert die Zuverlässigkeit und ermöglicht kompaktere Einheiten, die bei der Entwicklung neuer Anwendungen wertvollen Platz einsparen können. Kleinere und zuverlässigere Stromversorgungseinheiten eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen, die leistungsstarke und geräuscharme Stromversorgungslösungen erfordern.

GaN-basierte Off-Board-AC/DC-Netzteile können unter anderem in folgenden Anwendungen eingesetzt werden:

• Medizinische Geräte, bei denen die Stromversorgungen effizient, zuverlässig und leise sein müssen
• Industrielle Komponenten für den robusten, langlebigen und anpassungsfähigen Einsatz in Robotern, Sensoren oder Steuerungen
• Unterhaltungselektronik für die Stromversorgung schneller, leichter und tragbarer Geräte
• Spielsysteme mit immersiven, kühlen Netzteilen, Konsolen und VR-Headsets

Unterschiedliche GaN-Netzteile von Bel-Marken

Bel Power Solutions, Teil von Bel Fuse Inc., hat sein Angebot auf dem Markt für GaN-basierte AC/DC-Netzteile unter den Marken EOS Power und CUI Inc. erweitert, die alle zur Bel-Gruppe gehören. Diese Marken bieten ein Portfolio von Stromversorgungen mit GaN-Technologie an, die im Vergleich zu ihren Silizium-MOSFET-Äquivalenten eine höhere Leistungsdichte und einen besseren Wirkungsgrad erzielen.

EOS ist bekannt für Ultra-Miniatur-Stromversorgungen. Das EPG300/MEPG300 (Abbildung 1) und das EPG500/MPEG500 wurden für Anwendungen eingeführt, die eine minimale Verlustleistung und ein einfaches Wärmemanagement erfordern, wie z. B. HF-Anwendungen, 5G-Systeme und industrielle Prozesssteuerung.

Abbildung 1: Der Formfaktor der Netzteile EPG300 und MEPG300. (Quelle: EOS Power)

Sowohl die EPG300- als auch die MEPG300-AC/DC-Netzteile sind mit sechs Einzelausgangsspannungen von 12 V bis 58 V und einem Wirkungsgrad von bis zu 94 % erhältlich. Das EPG300-1312 zum Beispiel ist ein Netzteil mit 12V-Ausgang und offenem Rahmen und den Abmessungen 4,00" x 2,00"  x 1,47" (101,6 mm x 50,8 mm x 37,3 mm).

Das MEPG300-1312 und andere Modelle dieser Reihe sind speziell für medizinische Anwendungen wie Krankenhausbetten, bildgebende Geräte, Überwachungsgeräte, chirurgische Geräte und Diagnosegeräte ausgelegt. Sie entsprechen den neuesten medizinischen Normen (EN/IEC 60601-1) und verfügen über 2 x MOPP-Isolationsoptionen für Anwendungen der Klasse I.

Die AC/DC-Netzteile EPG500 und MEPG500 (Abbildung 2) bieten eine geregelte Ausgangsleistung von bis zu 500 W über einen weiten Eingangsbereich von 90 VAC bis 264 VAC. Sie sind beide in sechs Einzelausgangsspannungen von 12 V bis 58 V erhältlich und haben die Abmessungen 5,00" x 3,00" x 1,58" (127,0 mm x 76,2 mm x 40,0 mm).

Abbildung 2: Formfaktor des Netzteils EPG500/MEPG 500. (Bildquelle: EOS Power)

Die GaN-AC/DC-Tischnetzteile für 120 W und 300 W der Serien SDI120-U, SDI300G-U und SDI300G-UR von CUI sind für eine Vielzahl von tragbaren Verbraucher- und Industrieanwendungen konzipiert.

Das SDI120G-24-U-P51 von CUI (Abbildung 3), ein GaN-Tischnetzteil mit 24 V Ausgangsspannung, misst 5,20" x 2,01" x 1,26" (132,0 mm x 51,0 mm x 32,0 mm). Es kann bis zu 120 W Dauerleistung liefern und erfüllt die Effizienzstandards des US-Energieministeriums der Stufe VI.

Abbildung 3: Das Tischnetzteil SDI120G-24-U-P51. (Quelle: CUI, Inc.)

Das SDI300G-48-U2-P219 eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungen, die eine leistungsstarke, effiziente und kompakte AC/DC-Stromversorgungslösung erfordern. Es misst 7,20" x 3,35" x 1,38" (183,0 mm x 85,0 mm x 35,0 mm) und liefert eine Spannung von 48 V bei 6,25 A (max.).

Die Serie SDI300G-UR von CUI entspricht der IEC-Klasse II und verfügt über einen dreipoligen (C18) Anschluss, während die Serien SDI300G-U (Abbildung 4) und SDI120G-U einen zweipoligen (C14) Anschluss haben.

Abbildung 4: Das zweipolige AC/DC-Tischnetzteil der Serie SDI300G-UR von CUI. (Quelle: CUI, Inc.)

Fazit

Da Produkthersteller ständig nach kompakteren und effizienteren Stromversorgungslösungen verlangen, ist GaN eine zunehmend attraktive Option für neue elektronische Anwendungen, unter anderem in den Bereichen Unterhaltungselektronik, Telekommunikation und Automobiltechnik. Die Bel-Marken bieten eine Reihe von Optionen für Anwendungen, die eine zuverlässige, effiziente und kompakte AC/DC-Leistungswandlung mit zusätzlichen Kühlvorteilen erfordern.

Referenzen:

1 - https://www.edn.com/a-brief-history-of-gallium-nitride-gan-semiconductors/