GaN-FETs für industrielle Stromversorgungs-Designs der nächsten Generation

Galliumnitrid-Bausteine (GaN) können schneller schalten als solche auf Basis von Silizium und ermöglichen daher Stromversorgungen mit höherem Wirkungsgrad und geringerem Bauteileaufwand (Bild 1). Mit GaN-Halbleitern wird eine neue Kategorie von Stromversorgungs- und Leistungswandlungs-Systemen für die Versorgung aus dem Wechselstromnetz möglich, beispielsweise für die 5G-Telekommunikation und Rechenzentren.

GaN-FETs: Neue Integrationskonzepte

Bild 1: Direkter Größen- und Parametervergleich eines Transformator-Designs auf Basis von Si-Bauelementen und integrierten GaN-FETs. Texas Instruments

FETs in Stromversorgungssystemen in Rechenzentren, Enterprise-Servern und Vermittlungszentralen sind meist in anderen Gehäusen untergebracht als die zugehörigen Gatetreiber, weil beide auf unterschiedlichen Prozesstechnologien basieren. Unterm Strich entstehen hierdurch zusätzliche parasitäre Induktivitäten.

Neben dem erhöhten Platzbedarf kann dies dazu führen, dass sich die Schalteigenschaften von GaN-Bauelementen bei hohen Anstiegsraten verschlechtern. Im Unterschied dazu kann ein GaN-FET von TI mit integriertem Treiber, wie etwa der LMG3425R030, die parasitäre Induktivität minimieren und eine Anstiegsrate von 150 V/ns ermöglichen, wobei die Verluste um 66 Prozent geringer sind als bei diskreten GaN-FETs. Gleichzeitig lassen sich elektromagnetische Interferenzen (EMI) besser unterdrücken. Bild 2 zeigt den Aufbau eines GaN-FET von TI mit integriertem Gatetreiber.

Einfache Topologien, integrierter Schutz

In Rechenzentren und Serverfarmen ermöglichen die GaN-FETs von TI die Verwendung einfacherer Topologien (z. B. Totem-Pole-Leistungsfaktorkorrektur), was wiederum die Umwandlungsverluste senkt, das thermische Design vereinfacht und den Einsatz kleinerer Kühlkörper gestattet. In einem gleich großen 1HE-Rack-Server bringen es die Bauelemente auf die doppelte Leistungsdichte von Silizium-MOSFETs, gepaart mit einem Wirkungsgrad von 99 Prozent.

Bild 2: Die GaN-FETs mit ingegriertem Gatetreiber minimieren parasitäre Induktivitäten und ermöglichen Anstiegsraten von 150 V/ns. Texas Instruments

Sind in einen GaN-FET Funktionen zur Strombegrenzung und Überstromerkennung integriert, kann dies vor Shoot-Through-Phänomenen und thermischem Durchgehen schützen. Systeminterface-Signale ermöglichen außerdem eine Selbstüberwachung. Die Zuverlässigkeit ist in der Leistungselektronik ein entscheidender Faktor. Im Vergleich mit traditionellen, kaskadiert oder einzeln eingesetzten GaN-FETs, ist ein hochintegrierter GaN-FET effektiver in der Lage, durch Integration von Funktions- und Schutz-Features die Zuverlässigkeit zu steigern und die Leistungsfähigkeit von Hochspannungs-Stromversorgungen zu optimieren.

Bei Verwendung eines externen Treibers können parasitäre Induktivitäten bei hohen GaN-Frequenzen zu Schaltverlusten, Oszillationen und Zuverlässigkeitsproblemen führen. Die Common-Source-Induktivität lässt die Einschaltverluste deutlich ansteigen. Hinzu kommt, dass das Design eines robusten Überstromschutzes für hohe Anstiegsraten schwierig und kostspielig ist. Da es bei GaN-Bauelementen prinzipbedingt keine Body-Diode gibt, kommt es zu weniger Oszillationen am Schaltknoten, und die Sperrverzögerungs-Verluste fallen komplett weg.

40 Millionen Stunden: Hohe Zuverlässigkeit von GaN-Bauelementen

GaN-Bauelemente sind völlig anders aufgebaut als solche auf Siliziumbasis. Auch wenn sie schneller und härter schalten können, dürfen doch einige besondere Herausforderungen im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit nicht übersehen werden. Bei der Verwendung diskreter GaN-Bauelemente kommen Aspekte wie die Einfachheit des Designs und die Kosten der Bauelemente hinzu.

Eine neue Familie industrieller 600-V-GaN-Bauelemente enthält einen GaN-FET, den zugehörigen Treiber und Schutz-Features mit 30- und 50-mΩ-Leistungsstufen, um eine Single-Chip-Lösung für Anwendungen im Leistungsbereich von unter 100 W bis 10 kW zu realisieren. Die GaN-Bausteine LMG3422R030, LMG3425R030, LMG3422R050 und LMG3425R050 zielen auf Anwendungen mit hoher Leistungsdichte und hohem Wirkungsgrad. Im Unterschied zu Silizium-MOSFETs leitet GaN ähnlich wie eine Diode im dritten Quadranten und minimiert die Totzeit durch Verringerung des Spannungsabfalls. Der Ideal-Diode-Modus der Bausteine LMG3425R030 und LMG3425R050 führt zu einer weiteren Minimierung der Verluste in Stromversorgungs-Anwendungen.

Die besagten GaN-Bauelemente haben 40 Millionen Stunden an Zuverlässigkeitsprüfungen durchlaufen, darunter auch beschleunigte Tests und Hard-Switch-Tests in Anwendungsschaltungen. Die Zuverlässigkeitsprüfungen erfolgten unter stark beschleunigten Schaltbedingungen bei maximaler Leistung, Spannung und Temperatur. GaN-Bauelemente erleichtern außerdem die Qualifikation nach Standards wie etwa 80 Plus Titanium, die bei Stromversorgungen für Server und Telekommunikations-Applikationen nach einem sehr hohen Wirkungsgrad verlangen.

GaN ist wegweisend, setzt jedoch gründliche Entwicklungsarbeit in Sachen Prozess und Werkstoff voraus. Notwendig ist das Züchten qualitativ hochwertiger GaN-Kristalle, eine Optimierung der dielektrischen Schichten und die Herstellung sehr reiner Grenzschichten im Fertigungsprozess. Unverzichtbar sind auch Test- und Packaging-Verfahren auf höchstem Niveau.

(na)