Comparison between Si MOSFETs and GaN HEMTs with special emphasis on low load problems occuring in the LLC resonant converter
Master thesis
![Thumbnail](/ntnu-xmlui/bitstream/handle/11250/2625877/no.ntnu%3ainspera%3a2505416.pdf.jpg?sequence=4&isAllowed=y)
View/ Open
Date
2019Metadata
Show full item recordCollections
- Institutt for elkraftteknikk [2482]
Abstract
Det stilles store krav til likerettere brukt til å forsyne datasentere med kraft. Etav kravene er høy virkningsgrad. En av de vanligste topologiene brukt til detteformålet består av en PFC-likeretter, for å få sinusformet strøm fra nettet, etter-fulgt av en DC-link og en LLC-konverter for DC-DC omforming. Disse strøm-forsyningene har allerede høy virkningsgrad. En mulighet for å øke virknings-graden ytterligere er allikevel å redusere motstanden til transistorene når de erskrudd på. Men vanlige silisium(Si) ’metal-oxide-semiconductor field-effect transis-torer’(MOSFET) nærmer seg raskt sin teoretiske grense for sammenhengen mellomon-state motstand og fysisk størrelse. For å redusere motstanden til en gitt silisiumMOSFET enda mer, er da eneste mulig å øke størrelsen. Økt størrelse betyr størreparasittiske kapasitanser, noe som kan gi problemer.
En av de viktigste teknologiene for økt virkningsgrad er derfor galliumni-trid(GaN) ’high electron mobility transistor’ (HEMT). GaN har overlegne materi-alegenskaper, og kan derfor gi transistorerer med bedre egenskaper. Dette inklud-erer blant annet mindre parasittiske kapasitanser for den samme on-state mot-standen. Det forventes derfor at å erstatte Si MOSFET med GaN HEMT i LLC-omformeren kan bedre virkningsgraden, samtidig som man unngår problemene somoppstår ved alt for store utgangskapasitanser. Spesielt lavlast-reguleringsproblemerforventes å kunne bli bedre.
I denne rapporten vil bare LLC-omformeren bli vurdert. PFC-leddet diskuteresikke. Mer spesifikt er det LLC-topologien med en halvbro-struktur på inngan-gen, og fullbro diodelikeretter som blir brukt. Designmetodikk, transferfunksjoner,nullspennings-svitsjing, driftmoduser og lavlastproblemer diskuteres. Andre storetema slik som for eksempel kontroll av omformeren nevnes bare kort. Si MOSFETog GaN HEMT er de eneste transistortypene som blir vurdert.
Rapporten begynner med et litteraturstudie på GaN transistor, og da spesieltGaN HEMT. Dette er etterfulgt av det litteraturstudie på LLC-serie-resonans-omformeren. Mulig implementering av GaN HEMT i LLC-omformeren blir un-dersøkt. GaN HEMT og silisium MOSFETer sammenlignes direkte ved hjelp av’figure of merit’(FOM). Spesiell vekt legges på hensyn som er viktig for ’soft-switching’-topologier slik som LLC-konverteren. Gjennom simulering i LTspicevalideres noen av de diskuterte konseptene, spesielt FHA-antagelsen i utledningenav transferfunksjonen. Transferfunksjon blir også målt i lab. Resultatene viser godoverensstemmelse mellom teori og simulering og lab. En LLC-modul med GaNHEMT og en annen LLC-modul med Si MOSFETer sammenlignes også gjennomlabmålinger. Her vises det at GaN HEMT kan forbedre lavlastproblemene samtidigsom virkningsgraden forblir den samme, og kan til og med økes noe. Rectifiers for supplying data center with power from the grid are subject to manyrequirements, one of which is very high efficiency. One of the most common con-verter architectures consists of a PFC rectifier stage, used for achieving sinusoidalmains current, followed by a DC-link and a LLC resonant converter for the DC-DCconversion. This topology is already quite efficient. However, one possible solu-tion to increasing the efficiency further is lowering the on-state resistance of thetransistors used. Regular silicon(Si) metal-oxide-semiconductor field-effect transis-tors(MOSFET) however are quickly approaching their theoretical limit in termsof tradeoff between die size and on-state resistance. To reduce on-state resistancefurther, the die size must then be increased. An increased die size comes with thedisadvantage of large terminal capacitances, which can lead to problems.
One of the main enabling technologies for increased efficiency is therefore gal-lium nitride(GaN) high electron mobility transistors(HEMT). This is because theyhave smaller terminal capacitances for the same on-state resistance, owing to su-perior material properties. It is expected that replacing the Si MOSFETs in theLLC converter with GaN HEMTs could improve efficiency, while also avoiding thesome of the problems that could occur with excessively large output capacitances.Especially low load regulation problems is considered in this regard.
In this report, only the LLC converter will be considered. The PFC con-verter will not be discussed. More specifically the LLC topology with a half-bridgestructure at the input will be considered. On the secondary side a full-bridgediode-rectifier is used. Design methods, transfer functions, zero-voltage switching,operation modes and low load problems are discussed. Other broad topics suchas control is only briefly mentioned. Si MOSFETs and GaN HEMTs are the onlytransistor types considered.
This report starts with a literature study on GaN devices, more specificallyGaN HEMT. In the second part the LLC series resonant topology is discussed.Possible implementation of new GaN-switches in the LLC converter is researched.A direct comparison between GaN HEMTs and silicon MOSFETS is done. Specialemphasis is put on considerations that are important to soft-switching topologiessuch as the LLC converter. Simulations in LTSPICE are done to validate some ofthe discussed concepts, especially the derived transfer function from the fundamen-tal harmonic approximation(FHA), which shows good results. Lab measurementsare also done, and it is seen that the GaN HEMT can improve upon the low loadproblems occurring in the LLC converter when using Si MOSFETs. The resultsshow that this is achieved with the same degree of efficiency, and using GaN HEMTsthe efficiency might even be increased.