Galliumnitrid zur Stromversorgung von Kleinsatelliten im LEO

Private New-Space-Raumfahrtunternehmen haben sich rasch weiterentwickelt und treiben Kosteneinsparungen beim Start großer Konstellationen von Kleinsatelliten (Smallsats) in niedriger Erdumlaufbahn (Low Earth Orbit, LEO) weiter voran. Kleinsatelliten sind kosteneffizienter für LEO-Missionen und ermöglichen einen kostengünstigen Internetzugang auf der ganzen Welt.

Bild 1: Struktur eines EPC-GaN-Leistungstransistors. Der Stromfluss geschieht im 2D-Elektronengas im Oberflächenbereich der GaN-Schicht. Renesas

In der Vergangenheit gewährleisteten Satellitennutzlasten die Zuverlässigkeit durch den Aufbau von Redundanz im Einzelsystem, um sicherzustellen, dass ein bestimmtes System zehn bis 20 Jahre halten kann. Der New-Space-Ansatz sichert Redundanz hingegen auf der Systemebene mit zahlreichen Satelliten ab. Das heißt, fällt ein Satellit aus, können viele andere seinen Platz einnehmen. Die erwartete Lebensdauer von Kleinsatelliten im LEO beträgt etwa drei bis fünf Jahre und liegt damit deutlich unter den Anforderungen der geostationären Umlaufbahn (GEO) von zehn bis 20 Jahren.

Die New-Space-Bewegung ermöglicht es den Herstellern auch, neuere Technologien wie Galliumnitrid (GaN) zu nutzen. Deren Einsatz kam bisher in der Leistungselektronik nur langsam voran, da es hierfür bisher keine Treiber gab. Der vorliegende Artikel erläutert die erheblichen Leistungsverbesserungen von GaN-FETs im Vergleich zu Silizium-MOSFETs.

GaN-FETs zur Versorgung von Kleinsatelliten

Bild 2: Der Gate-Treiber ISL71040M hält auch bei LDR-Strahlungsbelastung seine Spannung konstant. Renesas

Bild 3: Die Gesamtgenauigkeit des PWM-Controllers ISL71043M bei einer LDR-Strahlungsbelastung. Auswirkungen von Strahlung lassen sich schon bei der Herstellung der Bauelemente abschwächen. Renesas

GaN-FETs haben mehrere Funktionsmerkmale, die sie für Satellitenstromversorgungen attraktiv machen, wie zum Beispiel inhärente Strahlungstoleranz, keine parasitäre p-n-Diode, schnelles Schaltverhalten, höhere Effizienz des Stromversorgungssystems und geringere Gesamtgröße.

Im Gegensatz zu Silizium-MOSFETs haben GaN-FETs keine Gateoxid-Schicht, so dass Gammastrahlung keine Löcher im Gateoxid verursachen kann. GaN-FETs zeichnen sich auch bei SEE-Tests (Single Event Effect) durch eine gute Performance aus. Bild 1 zeigt die Struktur eines GaN-FETs. Ausgangspunkt ist ein Standard-Silizium-Wafer. Zu beachten ist, dass dieser GaN-FET ein laterales Bauelement ist; der Stromfluss erfolgt horizontal durch das zweidimensionale Elektronengas im oberflächennahen Bereich der GaN-Schicht.

GaN ist ein Halbleitermaterial mit großer Bandlücke. Im Vergleich zu Silizium kann der Abstand zwischen Drain und Source bis zu zehnmal kleiner ausfallen. Bei gleichem R_DS(on) kann die Kanalbreite, unter anderem aufgrund der wesentlich kürzeren Kanallänge, wesentlich schmaler sein. Die geringere Chipgröße eines GaN-FETs im Vergleich zu einem Silizium-MOSFET führt zu Leistungsverbesserungen bei Schaltungsanwendungen. Parasitäre Einflüsse wie Ausgangskapazität und Layoutinduktivität lassen sich reduzieren. Dies führt zu geringeren Schaltverlusten und/oder zu einem Betrieb mit höherer Frequenz bei gleicher Verlustleistung.

GaN-FETs haben keine parasitäre p-n-Diode. Dies ist insofern praktisch, da es keine Reverse Recovery gibt. Diese verursacht nicht nur eine längere Totzeit bedingt durch die Wiederherstellung der Diodenladung, sondern ist auch abhängig von mehreren Faktoren, wie Temperatur, Strom und Zeit bei der leitenden Diode. Das wirft die Frage auf: Wenn GaN-FETs diese parasitäre Diode nicht haben, sind sie dann in umgekehrter Richtung (von Source zu Drain) leitend, wenn das Gate sich im Off-Zustand befindet (V_gs = 0 V)?

Die Antwort lautet: Ja, GaN-FETs leiten in der umgekehrten Richtung und nutzen den gleichen Kanal, den sie in der Vorwärtsrichtung nutzen, ohne parasitäres Element. Der Spannungsabfall in diesem leitenden Zustand ist jedoch größer als der einer Diode. Der Gesamtverlust lässt sich aber durch eine sehr kurze Totzeit minimieren. Da es keine Reverse Recovery gibt, lässt sich eine Totzeit in der Größenordnung von 5 ns bis 15 ns erreichen.

Anwendungen für Schaltnetzteile

Mit GaN-FETs können Entwickler von Stromversorgungen ihre Designs optimieren. Sie bieten Vorteile im Hinblick auf Größe, Gewicht, Effizienz, EMI und potenziell geringerer Spannung und höhere Regelkreisbandbreite.

Größe und Gewicht: Schnelles Schaltverhalten und weniger parasitäre Elemente führen zu geringeren Verlusten bei jedem Schaltzyklus. Ein Netzteilentwickler kann wählen, wie er diesen Vorteil nutzen will, entweder die Schaltfrequenz erhöhen oder den Wirkungsgrad verbessern oder einen Kompromiss aus beidem (höhere Schaltfrequenz bei gleichzeitig höherem Wirkungsgrad). Da die GaN-FETs selbst kleiner als entsprechende MOSFETs sind, liegt ein großer Vorteil in der Größe und dem Gewicht der gesamten Stromversorgung. Dank eines erhöhten Wirkungsgrads lassen sich Größe/Gewicht des Kühlkörpers reduzieren ebenso wie die Leistungsaufnahme der Stromversorgung. Eine höhere Schaltfrequenz bedingt kleinere Induktivitäten und Kondensatoren. Bei Induktivitäten können verringerte Induktivitätswerte zu geringeren Kupferverlusten führen.

Bandbreite: Durch die Möglichkeit, die Schaltfrequenz effizient zu erhöhen, lässt sich die Geschwindigkeit der Regelschleife bei Bedarf erhöhen. Zu den Vorteilen eines schnelleren Einschwingverhaltens gehört die Möglichkeit, die Größe der Ausgangskapazität zu reduzieren. Da die Stromversorgung schneller auf eine Laständerung reagieren kann, benötigt sie somit nicht so viel Energie aus den Ausgangskondensatoren, um den Transienteneffekt auszugleichen.

EMI: Eine Erhöhung der Schaltfrequenz und der Schaltgeschwindigkeit scheint das Problem von Störaussendungen zu erhöhen, hier jedoch bietet GaN besondere Vorteile. Weniger parasitäre Komponenten bedeuten weniger Energie, die in diesen parasitären Elementen bei jedem Schaltzyklus gespeichert und freigesetzt wird. Dank kleinerer Abmessungen lässt sich das Schaltungslayout verbessern, um die Schleifeninduktivität zu reduzieren.

Gatetreiber für GaN-FETs

Bild 4: Der linke Teil des Bildes zeigt einen PWM-Controller, der nach einem Ionenbeschuss sein Regelungsverhalten vollständig verliert. Der Controller auf der rechten Seite erholt sich sehr schnell nach einem größeren Impuls. Renesas

Um GaN-FETs optimal zu nutzen, benötigen Entwickler einen schnellen, spezialisierten Gatetreiber, der auf die ideale Treiberspannung abgestimmt ist. Die maximal zulässige Gatespannung beträgt 6 V, welche in Satellitenanwendungen auf 4,5 V reduziert wird. Diese Spannung hat im Vergleich zu einem Gatetreiber mit 5 V nur minimale Auswirkungen auf den R_DS(on). Bei einer Treiberspannung von weniger als 4,5 V nominal würde dies zu einem zu starken Anstieg des R_DS(on) führen.

Ein gut geregelter Gatetreiber hält die Gatespannung unabhängig von der Versorgungsleitung und den Schwankungen der Ausgangslast aufrecht. Damit Satelliten im Orbit wie beabsichtigt funktionieren, müssen ihre Komponenten auch bei längerer Exposition gegenüber einer Gesamtdosis ionisierender Strahlung (TDI, Total Ionizing Dose) bei LDR (Low Dose Rate) störungsfrei funktionieren. Zudem müssen sie Wechselwirkungen mit ionisierten Teilchen (wie zum Beispiel schweren Ionen) im Weltraum standhalten.

Damit ein PWM-Controller und ein GaN-FET-Treiber keine geänderten Betriebszustände aufweisen, wenn ein Schwerion eine Ladung an einem Übergang positioniert, oder deren Schwellenwert mit der LDR-TID verändert wird, müssen diese Einflüsse während der Chip- und Prozessentwicklungsphase abgeschwächt werden. Bilder 2 und 3 zeigen, was ein Treiber und ein PWM-Controller leisten können, wenn sie von Grund auf für den Weltraum konzipiert sind (im Gegensatz zu einem kommerziellen, nach oben abgeschirmten IC).

Der PWM-Controller, der mit dem GaN-FET-Treiber verbunden ist, muss auch unter dem Einfluss von schweren Ionen einwandfrei funktionieren. Es ist oft verlockend, Bauteile für Industrieanwendungen und Up-Screen-Bauteile aufgrund der anfänglichen Kosten zu übernehmen. Sofern solche Bausteine jedoch nicht für Weltraumanwendungen entwickelt wurden, ist mit starken Leistungseinschränkungen zu rechnen. Bild 4 zeigt das Verhalten zwei verschiedener PWM-Controller bei Schwerionenbeschuß.

(na)

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