Det svenska företaget Seps Technologies AB föddes utifrån en affärsidé att ta fram kompakta AC/DC-omvandlare genom att använda halvledare med brett bandgap. De har ultralåg bygghöjd och är tänkta att kunna byggas in i datorer eller batteripack.

– Komponenter med brett bandgap öppnar nu marknaden för kompakta omvandlare för konsumentmarknaden, säger Kent Bertilsson, vd för Seps Technologies AB.
Från början var det tänkt att använda transistorer i kiselkarbid, men galliumnitrid (på kiselsubstrat) visade sig vara lämpligare.
– Kiselkarbiden lämpar sig bäst i applikationer där man kräver 1200 V och 10 A tålighet, berättade Kent Bertilsson i sitt anförande under iSiCPEAW. För de märkspänningar vi behöver, kring 600 V, passar galliumnitrid bättre.
Fördelen med både SiC och GaN är att switchfrekvensen kan höjas avsevärt, jämfört med Si.

Driveffekten till gaten ökar dramatiskt med frekvensen för en MOSFET i Si, medan ökningen är mycket måttlig för en MOSFET i GaN.
Problemet är dock att transformatorns förluster ökar i hög grad när frekvensen höjs.
För att lösa detta problem utvecklar Seps speciella transformatorer som bygger på en patenterad teknik. Lindningarna utgör ledningsmönstret i mönsterkort.

Man har tagit fram transformatorer med 20:1 omsättning, som med bara 16-24 mm diameter överför 50 – 100 W effekt.
Kent Bertilsson gav som exempel transformatorer med 8:1 i omsättning som med 2-5 MHz frekvens omvandlade upp till 50 W. De kan ha 96-98 procents verkningsgrad.

Högre verkningsgrad
De AC/DC-omvandlare som idag finns på marknaden arbetar med 50-200 kHz switchfrekvens. Därför får de en ganska stor volym: En 60-80 W omvandlare är typiskt 11×5×3 cm stor. Sådana omvandlare har ofta en verkningsgrad på 86 till 90 procent.
Energy Star och EUP-direktivet tvingar nu fram konstruktioner med minst 87 procents verkningsgrad och 0,5 W standby-effekt för 50 W omvandlare.

Lägre switchförluster
I GaN finns lämpliga komponenter, märkta 600 V och 1 till 2 A. Som framgår av fig 3 ökar driveffekten för en kiseltransstor mycket brant med frekvensen medan den ökar obetydligt för en GaN-transistor.
Men för att skapa högfrekventa omvandlare gäller det att utforma gate-drivningen rätt. Ken Bertilsson talade även om att använda ”soft switching”, dvs att använda resonanta (eller semiresonanta) omvandlare, för att hålla högfrekvensförlusterna nere och för att undvika störningar (EMC).
Som jämförelse ger GaN 8 procent högre verkningsgrad än kisel för 200 V transistorer.
Seps har tagit fram en 40 W omvandlare som med 3,4 MHz switchfrekvens uppnår 92 procents verkningsgrad. Omvandlaren bygger på 200 V GaN MOSFET.

Filed under: Teknikartiklar