Maximale Energieeffizienz von Halbleiterschaltern in Spannungswandlern beginnt mit der Wahl der richtigen Halbleitertechnologie

Viele Entwickler halten Galliumnitrid inzwischen für die bessere Schaltertechnologie als Silizium. Das liegt daran, dass GaN-Transistoren einen sehr niedrigen R_DS(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 R_DS(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 (T_jmax = 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. V_TDS Wertim jeweiligen Datenblatt). Die Body-Diode zeichnet sich durch eine sehr niedrige Vorwärtsspannung V_f 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 R_DS(on) durchgeführt. (Anmerkung: Die Ver­wen­dung des Begriffs 'dynamischer' R_DS(on) soll betonen, dass die R_DS(on)-Messergebnisse von einem dyna­mischen Test im Schalterbetrieb stammen – das ist bei GaN FETs wichtig, weil nur so kurzzeitige R_DS(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 R_DS(on) um nicht mehr als 20% verändern. Wie aus Abbildung 1 ersicht­lich ist, verschiebt sich der dyna­mische R_DS(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.

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:

• V_in = 200V
• V_out = 480V
• P_out = 800W
• T_j = 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 R_DS(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.

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 (R_th(j-mb)) von 0,8K/W und eine Kupferclip-SMD-Version mit einem R_th(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.

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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