Nexperia GaN_CCPAK_demo_board
| von Dr. Dilder Chowdhury, Dr. Jim Honea, Nexperia

Viele Entwickler halten Galliumnitrid inzwischen für die bessere Schaltertechnologie als Silizium. Das liegt daran, dass GaN-Transistoren einen sehr niedrigen RDS(on) (Source-Drain-Einschaltwiderstand) haben und sehr hohe Schaltfrequenzen erlauben. Außerdem sind sie besonders robust, da sie – anders als herkömmliche Silizium-MOSFETs – keinen Lawinendurchbruch aufweisen. GaN ist bei HF- und LED-Anwendungen bereits weit verbreitet, doch der Einsatz dieser Technologie in der Leistungselektronik bringt neue Herausforderungen mit sich. Der vorliegende Artikel behandelt Fragen der Robustheit, Qualität und Zuverlässigkeit der neuesten, AEC-Q101-qualifizierten 650V-Power-GaN-FET-Technologie von Nexperia bei hohen Spannungen und hohen Temperaturen.

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Wide-Bandgap- (WBG) Materialien bieten die Kombination aus höherer Spannungsfestigkeit und größerer Elektronenbeweglichkeit. Dadurch haben die Bau­teile einen sehr kleinen RDS(on), höhere Sperr­spannungen und ein deutlich besseres Schalt­verhal­ten, was sich in kleine­ren FOM-Werten (Figure of Merit, Produkt aus Gate-Ladung und Einschaltwider­stand) niederschlägt. Im Ver­gleich zu den verschiedenen Silizium-Transistor-Implementierungen – vertikal, lateral, Super-Junction usw. – reduziert die GaN-Technologie sowohl die Schalt- als auch Durchlassverluste, was zu einer signi­fi­kanten Verbesserung der Effizienz führt. Daher ist für die meisten Ent­wick­ler die Diskussion darüber, welche Technologie für Leistungsschalter besser geeignet ist, beendet – es ist Galliumnitrid. Dabei ergeben sich allerdings auch Fragen zum Nachweis der Robustheit von GaN-Schaltern in realen Anwen­dungen sowie zur Qualität, Zuverlässigkeit und Skalier­bar­keit der Technologie.

GaN-FETs sind gerade dabei, sich am Markt zu etablieren. Viele Bauteile sind vielversprechend und unterliegen nicht den Einschränkungen von Silizium-IGBTs und Super-Junction- (SJ) FETs. So können beispiels­weise bei einigen hartschaltenden Topologien, für die Silizium-SJ-FETs aufgrund der Reverse-Recovery-Diodenverluste ungeeignet sind, problemlos GaN-FETs einge­setzt werden. Damit verbundene Vorteile sind eine geringere Bau­teilanzahl und ein höherer Wirkungsgrad.

Derzeit gibt es zwei Typen von GaN-FETs: Selbstsperrende Anreicherungs-FETs (Enhancement, „E-mode“) mit einem Chip und Verarmungstyp-FETs (Depletion, „D-mode“), die durch Verschaltung zweier Chips in einer sog. Kaskode selbstsperrend werden. Während der E-mode FET als einzelner Chip scheinbare Größen- und Kostenvorteile ermöglicht, benö­tigt dieser aber, ins­beson­dere bei Leis­tungs­anwen­dungen mit hohen Span­nungen, eine komplexere Treiber­schal­tung, welche nur wenig Spannungstoleranz zulässt und ist zudem weniger gut für den Betrieb bei hoher Temperatur geeignet ist. Auch die Stabi­li­tät und der Leckstrom von E-mode-Typen können problematisch sein. Zur Vermeidung von parasitärem Einschalten und gefährlichem Brückenkurzschluss sind eine hohe Gate-Schwellenspannung und ein stabiler Gate-Treiber erfor­der­lich. Aktu­elle E-mode-Tech­no­logien arbeiten mit Gate-Schwellenspannungen von nur etwa 1V. Im Gegen­satz dazu haben die neuen H2-GaN-HEMT Kaskoden von Nexperia eine Gate-Schwellenspannung von 4V, wodurch einfachere Gate-Treiber­schal­tungen eingesetzt werden können. Um das selbstsperrende Verhal­ten zu erzie­len, befindet sich in Nexperia’s Kaskode ein kleiner Silizium-MOSFET direkt  auf der Source-Elektrode des GaN-HEMTs. Nexperia fertigt sowohl den GaN-Transistor als auch den Silizium-MOSFET hausintern, was eine sehr guten dyna­mische Abstimmung der beiden Bau­teile gewährleistet. Dank dieser Struktur lässt sich der Schalter wie ein einfaches Silizium-MOSFET-Gate ansteuern – so wie Inge­nieure es seit Jahrzehnten gewohnt sind.

 

Robust­heit

Die H2 650V GaN-FETs von Nexperia sind für den Betriebs­tem­peratur­bereich von –55 bis +175°C aus­ge­legt (Tjmax = 175°C). Wie bereits erwähnt, haben die Bau­teile eine hohe Schwellen­spannung von 4V und bieten dadurch eine große Sicher­heits­reserve im Hinblick auf Gate-Source-Transienten. Die Gate-Struktur ist eben­falls sehr zuver­lässig (±20V) und die Bauteile mit 650V Nennspannung sind zudem für kurzzeitige Schalttransienten deutlich darüber (vgl. VTDS Wertim jeweiligen Datenblatt). Die Body-Diode zeichnet sich durch eine sehr niedrige Vorwärtsspannung Vf von nur 1,3V aus und ermög­licht ähnliche Freilaufströme wie Silizium-MOSFETs, ohne dass dafür komplexe Totzeit-Einstel­lungen vorgenommen werden müssen. (Parameter des 50mΩ-GaN-FETs (typ @ 25°C)).

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Qualitäts-Quali­fi­zie­rung

Die GaN-FETs der neues­ten Gene­ra­tion von Nexperia sind nach AEC-Q101 Rev. D qualifiziert. An 50mΩ- (typ @ 25°C) 650V-Typen wurden Hoch­tempe­ratur-Reverse-Bias- (HTRB) Tests über 1000 Stunden und Tests zum Anstieg des dyna­mischen RDS(on) durchgeführt. (Anmerkung: Die Ver­wen­dung des Begriffs 'dynamischer' RDS(on) soll betonen, dass die RDS(on)-Messergebnisse von einem dyna­mischen Test im Schalterbetrieb stammen – das ist bei GaN FETs wichtig, weil nur so kurzzeitige RDS(on)-Schwankungen infolge von Charge-Trapping erkannt werden). Temperaturzyklustests (1000 Zyklen) wurden über den Bereich von –55°C bis +150°C durchgeführt. Darüber hinaus wurden Hoch­tempe­ratur- (+175°C) Gate-Bias-Tests mit positiver (+20V) und negativer (–20V) Bias-Span­nung, Hoch­tempe­ratur-Feuch­tig­keitstests mit und ohne Bias sowie Lebens­dauer­tests durchgeführt.

 

HTRB

Um den HTRB-Test nach AEC-Q101 zu bestehen, darf sich der RDS(on) um nicht mehr als 20% verändern. Wie aus Abbildung 1 ersicht­lich ist, verschiebt sich der dyna­mische RDS(on) um weniger als 15%. Ein zusätz­licher HTRB-Test wurde bei 800V über 10 Stunden durchgeführt und bestanden. Diese Span­nung liegt deutlich über der spezi­fi­zierten Nennspannung, entspricht aber der Spezi­fi­ka­tion für repetitive Spannungs­spitzen.

Leistungsgraphen  des dynamischen RDS(on) im Rahmen der 650V/175°C-HTRB-Tests

Abbildung 1: Messung des dynamischen RDS(on) im Rahmen der 650V/175°C-HTRB-Tests

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HTOL

Lebens­dauertests bei hohen Temperaturen werden zwar vom AEC-Q101-Stan­dard nicht vor­ge­schrie­ben, sind aber nützlich, um die Zuverlässigkeit der Bau­teile unter realen Betriebsbedingungen zu validieren. Bei neu­ar­tigen Mate­ri­alien wie GaN sind solche Tests beson­ders wichtig, weil sie etwaige unbekannte Ausfall­mechanismen aufdecken. Der Betrieb als Halbbrücke im konti­nuier­lichen Leitmodus ist die elementarste Testmethode zur Ermittlung des Schalt­verhal­tens. Für diesen Test wurden mehrere iden­tische Halbbrücken­schal­tungen mit jeweils zwei GaN063-650WSA gebaut und unter den folgenden Bedingungen als Synchron-Hochsetzsteller betrieben:

  • Vin = 200V
  • Vout = 480V
  • Pout = 800W
  • Tj = 175°C
  • Schaltfrequenz = 300kHz

Abbildung 2 zeigt den Wirkungsgrad aller Testobjekte über 1.000 Stunden. Die Testergebnisse lassen keine Anzeichen von Alterung erkennen. Nach diesen Tests wurden alle Testobjekte auf Veränderungen des dynamischen RDS(on), des Leckstroms und der Schwellenspannung untersucht. Alle diese Parameter erwiesen sich als stabil, wobei alle Veränderungen im zulässigen Bereich lagen. Auch die HTOL-Testergebnisse belegen die hervorragende Produktqualität.

 

Leistungsgraph des Aufwärtswandler-Wirkungsgrad nach HTOL-Tests
Abbildung 2: Aufwärtswandler-Wirkungsgrad nach HTOL-Test über 1000 Stunden.

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Gehäuse

Die Gehäusebauform beeinflusst sowohl die elektrischen Eigenschaften als auch die Zuverlässigkeit des Produkts. Nexperia bietet seine H2-GaN-FETs in zwei Gehäusebauformen an: Herkömmliches TO-247-Gehäuse mit einem Wärmewiderstand (Rth(j-mb)) von 0,8K/W und eine Kupferclip-SMD-Version mit einem Rth(j-mb) <0,5K/W. Beide Gehäuse sind für den Betrieb bei Sperrschicht-Temperaturen von bis zu +175°C ausgelegt. Das CCPAK-SMD-Gehäuse (siehe Abbildung 3) nutzt Nexperias bewährte und innovative Kupferclip-Gehäuse-Technologie, wodurch Bonddrähte überflüssig sind. Dies führt zu geringeren parasitären Verlusten, verbesserten elektrischen und thermischen Eigenschaften und höherer Zuverlässigkeit. CCPAK-GaN-FETs sind in Ausführungen mit ober- oder unterseitiger Kühlung verfügbar. Dadurch sind sie äußerst vielseitig einsetzbar und tragen zu einer besseren Wärmeabfuhr bei. Die relativ flexiblen Gull-Wing-Pins des CCPAK-Gehäuses verringern den mechanischen Stress bei Temperaturschwankungen und erleichtern die automatisierte Sichtkontrolle (AOI) – beides sind wichtige Aspekte in Automobilanwendungen.

 

CCPAK-SMD-Gehäuse von Nexperia
Abbildung 3: CCPAK-SMD-Gehäuse von Nexperia mit Kupferclip-Technologie

Skalierbarkeit

Nexperia kauft GaN-on-Silicon-Wafer und kann in seinen bereits existierenden Fabriken die Produk­tion durch zusätz­liche Fertigungsstraßen und größere Wafer-Abmes­sungen (150mm bis 200mm) hochfahren; ein ent­sprechendes Erwei­te­rungs­pro­gramm läuft bereits.

 

Zusammenfassung

Die Power-GaN-Technologie wird in Anwendungen wie On-Board-Ladegeräten, DC-DC-Wandlern und Traktionswechselrichtern in Elektrofahrzeugen und industriellen Stromversorgungen im Bereich von etwa 1,5- bis 10-kW eingesetzt. Weitere Anwendungsgebiete sind hocheffiziente Schaltnetzteile für Telekommunikations­einrichtungen 5G-Basisstationen und Rechenzentren. Die neues­ten Produkte von Nexperia haben nachgewiesenermaßen die Robust­heit, Qualität, Zuver­­läs­sig­keit und Massen­produk­tions­tauglichkeit, welche in diesen Anwendungen gefordert werden. Die aktuellen Bauteile mit typischen RDS(on)-Werten bis hinab zu 33mΩ zeichen sich durch ihre branchenführende Leistungsfähigkeit aus. Werte von <20mΩ oder gar <10mΩ sind bereits in naher Zukunft zu erwarten, was Anwen­dungs­möglich­keiten im Leistungsbereich bis 150 kW eröffnen wird.

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