Comparison between Si MOSFETs and GaN HEMTs with special emphasis on low load problems occuring in the LLC resonant converter

Abstract

Det stilles store krav til likerettere brukt til å forsyne datasentere med kraft. Et av kravene er høy virkningsgrad. En av de vanligste topologiene brukt til dette formålet 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 er skrudd på. Men vanlige silisium(Si) ’metal-oxide-semiconductor field-effect transis- torer’(MOSFET) nærmer seg raskt sin teoretiske grense for sammenhengen mellom on-state motstand og fysisk størrelse. For å redusere motstanden til en gitt silisium MOSFET enda mer, er da eneste mulig å øke størrelsen. Økt størrelse betyr større parasittiske 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 som oppstår ved alt for store utgangskapasitanser. Spesielt lavlast-reguleringsproblemer forventes å kunne bli bedre.

I denne rapporten vil bare LLC-omformeren bli vurdert. PFC-leddet diskuteres ikke. 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 store tema slik som for eksempel kontroll av omformeren nevnes bare kort. Si MOSFET og GaN HEMT er de eneste transistortypene som blir vurdert.

Rapporten begynner med et litteraturstudie på GaN transistor, og da spesielt GaN 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 LTspice valideres noen av de diskuterte konseptene, spesielt FHA-antagelsen i utledningen av transferfunksjonen. Transferfunksjon blir også målt i lab. Resultatene viser god overensstemmelse mellom teori og simulering og lab. En LLC-modul med GaN HEMT og en annen LLC-modul med Si MOSFETer sammenlignes også gjennom labmålinger. Her vises det at GaN HEMT kan forbedre lavlastproblemene samtidig som virkningsgraden forblir den samme, og kan til og med økes noe.

Rectifiers for supplying data center with power from the grid are subject to many requirements, one of which is very high efficiency. One of the most common con- verter architectures consists of a PFC rectifier stage, used for achieving sinusoidal mains current, followed by a DC-link and a LLC resonant converter for the DC-DC conversion. This topology is already quite efficient. However, one possible solu- tion to increasing the efficiency further is lowering the on-state resistance of the transistors used. Regular silicon(Si) metal-oxide-semiconductor field-effect transis- tors(MOSFET) however are quickly approaching their theoretical limit in terms of tradeoff between die size and on-state resistance. To reduce on-state resistance further, the die size must then be increased. An increased die size comes with the disadvantage 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 they have smaller terminal capacitances for the same on-state resistance, owing to su- perior material properties. It is expected that replacing the Si MOSFETs in the LLC converter with GaN HEMTs could improve efficiency, while also avoiding the some 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-bridge structure at the input will be considered. On the secondary side a full-bridge diode-rectifier is used. Design methods, transfer functions, zero-voltage switching, operation modes and low load problems are discussed. Other broad topics such as control is only briefly mentioned. Si MOSFETs and GaN HEMTs are the only transistor types considered.

This report starts with a literature study on GaN devices, more specifically GaN 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. Special emphasis is put on considerations that are important to soft-switching topologies such as the LLC converter. Simulations in LTSPICE are done to validate some of the discussed concepts, especially the derived transfer function from the fundamen- tal harmonic approximation(FHA), which shows good results. Lab measurements are also done, and it is seen that the GaN HEMT can improve upon the low load problems occurring in the LLC converter when using Si MOSFETs. The results show that this is achieved with the same degree of efficiency, and using GaN HEMTs the efficiency might even be increased.