Switchfrekvensen för MOSFET:ar i kisel i konventionella LLC dc-dc-steg har ett praktiskt tak på cirka 100 kHz eftersom switchförlusterna över det blir för stora. GaN-komponenter å andra sidan kan enkelt switchas vid frekvenser över 250 kHz med bibehållen effektivitet vilket gör det möjligt att använda mindre och lättare magneter plus att effekttätheten ökar.

De praktiska konsekvenserna av att designa en DCDC-omvandlare på 500 W med LLC-topologi och GaN-komponenter har dock inte dokumenterats särskilt väl. Nu har Future Electronics Center of Excellence (CoE) utvecklat GaNSTar, en GaN-baserad design med 400 V DC på ingången och 48 V på utgången. Vid designen av kortet undersöktes de viktigaste frågorna som uppstår när man använder GaN-komponenter.

Egenskaperna hos GaN-komponenter som ST Microelectronics MasterGaN1, en halvbrygga med två GaN-transistorer och tillhörande drivare i samma kapsel, är välkända. CoE-teamets arbete gav dock intressanta aspekter. Som beskrivs nedan visade sig temperaturen på transformatorn vara huvudbegränsningen för kortets funktion.

Genom att uppnå en konverteringseffektivitet på 96 procent, och inte använda mer än en liten fläkt för kylning vid en uteffekt på 500 W, visar GaNSTar-kortet att en GaN-baserad LLC-omvandlare kan vara cirka 30 procent mindre än motsvarande design med MOSFET:ar i kisel.

GaNSTar-kortet använder den välkända och resonanta LLC-topologin. På primärsidan är halvbryggan implementerad med en enda komponent, 600 V MasterGaN1. För de flesta kraftsystemkonstruktörer är en enhet som MasterGaN1, som integrerar optimerade gate-drivare för GaN-transistorerna, att föredra framför en lösning med diskreta komponenter. Det beror på att GaN-switchar är svårare att driva än MOSFET-switchar. Vid drivning av GaN-switchar bör kretsens parasitära egenskaper minimeras. Dessutom kan gaten i de flesta fall skadas om spänningen över gate-source överstiger 8 V.

På sekundärsidan har GaNSTar valt en helbrygga med fyra stycken kisel-MOSFET:ar på 100 V, även de från ST Microelectronics. Sekundärsidan hade kunnat konfigureras som en halvbrygga, men då hade man behövt använda MOSFET:ar med en högre märkspänning, minst 150 V för att klara en utspänning på 48 V. Med helbrygga kan man använda 100 V MOSFET:ar som är billigare och mer lättillgängliga än de med högre märkspänning. Valet ger också möjlighet att ersätta kisel-MOSFET med 100 V GaN-transistorer när tillgången på marknaden ökar, för att öka effektiviteten ytterligare. Den gatedrivare som valts för GaNSTars sekundära sida, STDRIVEG600 från ST Microelectronics, är kompatibel med både MOSFET:ar i kisel och GaN-FET:ar.

Det viktigaste beslutet kring arkitekturen gällde styrningen: ska den vara digital och programmerbar med hjälp av en mikrokontroller, eller analog med en enkel LLC-kontroller?

Olika faktorer påverkar valet. Ett programmerbart och digitalt system kan stödja flera designiterationer vilket kan vara användbart när man utvecklar en familj av nätaggregat. Å andra sidan eliminerar en enkel LLC-omvandlare behovet av mjukvaruutveckling och minskar utvecklingstiden, liksom kostnaden.

Fram tills helt nyligen har det inte funnits några LLC-kretsar för frekvenser över 100 kHz med full last. År 2022 kom de första. Framförallt släppte NXP kretsen TEA2017 som är en kombinerad PFC-styrenhet och resonant LLC-styrenhet med stöd för switchfrekvenser långt över 250 kHz och som fungerar i kontinuerligt ledande läge (CCM) såväl som i gränsledningsläge (BCM) eller dis­kontinuerligt ledningsläge (DCM) för PFC-driften.

Andra attraktiva alternativ inkluderar styrenheten NCP13994 LLC från Onsemi. För ett AC-DC-aggregat kan NCP13994 kombineras med NCP1680, en PFC-styrenhet för topologier av typen totempåle.

Precis som NXP erbjuder ST Microelectronics en kombinerad PFC- och LLC-kontroller, STCMB1. PFC-styrenheten stöder dock BCM och DCM, men inte CCM, så den är endast lämplig för belastningar upp till cirka 250 W.

Istället för dessa standardalternativ valde designteamet ett flexibelt och digitalt alter­nativ med en styrkrets från ST Microelectronics i form av STM32G4x4. Den är särskilt lämplig på grund av dess högupplösta timer, att den kan skapa komplexa vågformer och har en händelsehanterare för digital kraft­omvandling.

STM32G4x4 har en kapacitet för mycket mer än enbart LLC-styrningen. Dess placering på den primära sidan av GaNSTar ger utrymme för ytterligare utveckling i framtiden för att införliva PFC-stegdrift.

För att skapa digital LLC-styrning på primärsidan med hjälp av STM32G4x4 måste LLC-omvandlarens återkopplingssignal för utspänningen passera den galvaniska isolering som skiljer de två delarna åt. GaNSTar-designen erbjuder två alternativ. Det första använder en linjär isolationsförstärkare med en relativt hög kostnad. Denna krets är stabil och effektiv i drift.

Två digitala styrslingor har implementerats med hjälp av denna återkopplingsmetod. En PID-regulator ger en adekvat svarstid. Vi har också implementerat en mer avancerad PID-algoritm som förbättrar den typiska svarstiden för en förändring i belastningen – från 20 till 80 procent – från cirka 500 µs till cirka 300 µs.

Det andra alternativet använder en kombination av en shuntregulator (TL431) och en optokopplare vilket potentiellt begränsar reglerloopens svarstid eftersom den har relativt låg bandbredd. Att applicera en kaskadkopplad bipolär PNP-transistor på fototransistorn i optokopplaren ökar bandbredden till 45 kHz.

Reglerloopen är delvis analog, delvis digital. TL431 är konfigurerad som en integrator som ger hög förstärkning vid låga frekvenser. STM32G4x4 utför digital bearbetning av felsignalen från optokopplaren för att skapa en styrsignal som är mycket lik den filtrerade PID-metoden, men till en lägre materialkostnad än den första metoden som använder en isolationsförstärkare.

Labbtester med en prototyp av GaNSTar visade var det största problemet vid användning fanns, det var inte i de snabb­switchande GaN-komponenterna.

Vid konvektionskylning är uteffekten begränsad till 300 W, vilket inte beror på switchkomponenternas temperatur utan på transformatorns. Vid en uteffekt på cirka 350 W med konvektionskylning och en omgivningstemperatur på 25 °C är transformatorns temperatur högre än 90 °C. Detta är en obehagligt hög temperatur med tanke på att många tillämpningar för en GaN-baserad LLC-omvandlare för högspänning faktiskt körs i omgivningstemperaturer över 50 °C. Denna termiska prestanda är ett resultat av transformatorns kombinerade förluster i kärnan och lindningarna vid hög switchfrekvens och hög ström.

Vid en normal inomhustemperatur och en nominell uteffekt på 500 W arbetar Master­GaN1 vid en temperatur på bara 42 °C när den kyls av en enkel 5 V-fläkt som ger ett luftflöde på 7 CFM. Denna prestanda kräver ingen avancerad värmehantering – i GaNSTar har MasterGaN1 inget annat än en liten, billig keramisk kylfläns.

Som framgår av figur 5 arbetar alla komponenter vid relativt låga temperaturer när de är fläktkylda; sekundärsidans MOSFET:ar i kisel är de varmaste komponenterna och når en temperatur på cirka 65 °C vid 500 W ut­­effekt.

GaNSTar-konstruktionen visar alltså att den praktiska gränsen för uteffekten från en GaN-baserad LLC-omvandlare sannolikt kommer att sättas av transformatorns temperatur. Konstruktionen visar att en LLC-omvandlare på ett tillförlitligt sätt kan försörja en 500 W-last med enbart en liten mängd luftkylning och minimal kylfläns. Det finns många alternativ för att öka uteffekten, bland annat genom att använda en kraftfullare fläkt och applicera en kylfläns på transformatorkärnan. Att använda planarmagnetisk designteknik kan också förbättra prestanda.

Den viktigaste lärdomen av GaNSTar-kortet är att GaN-tekniken ger betydande utrymmesbesparingar. Med en storlek på 66x116x40 mm och en switchfrekvens på 250 kHz är GaNSTar-kortet ungefär 30 procent mindre än en motsvarande 500 W LLC-omvandlare baserad på MOSFET:ar med en switchfrekvens upp till 100 kHz.

De som designar ett skräddarsytt system kan förvänta sig ännu större utrymmesbesparingar eftersom de kan använda konstruktionsoptimeringar som inte var lämpliga för GaNSTar, som är ett demonstrationskort.

Utöver detta finns fler saker som kraftsystemkonstruktörer bör ta hänsyn till när de bygger nya system baserade på GaN-komponenter:
• X7R-kondensatorer används ofta i kraftelektronik, men i GaNSTar-kortet gav de för stor kapacitansvariation över likströmsbias vilket ändrade systemets resonansfrekvens. Ett byte till C0G-kondensatorer – kortet använder tre 10 nF GRM31C5C2J103JWA3L från Murata – eliminerade detta problem.
• Kylflänsar av aluminium eller koppar används oftast i kraftsystem men keramiska kylflänsar har flera fördelar på bekostnad av lägre termisk effektivitet: låg kostnad, ingen parasitär kapacitans och enklare montering med bara termiskt lim plus avsaknad av krav på isolerande gränssnittsmaterial. I GaNSTar-kortet fungerar MasterGaN1-enheten tillförlitligt med en keramisk kylfläns.