GaN-FETs: Kupfer-Clip-Gehäuse eröffnen neue Möglichkeiten

Dank ihrer herausragenden Effizienz und kompakten Baugröße halten Galliumnitrid (GaN)-Hochleistungs-FETs zunehmend Einzug in die Mainstream-Märkte. Sie ermöglichen Wandler mit sehr guter Effizienz und kompakter Baugröße, was sich in einer überragenden Leistungsdichte sowohl in Anwendungen mit geringer und hoher Leistung gleichermaßen widerspiegelt.

Die nächste Herausforderung für Hersteller von Wide-Bandgap-Halbleitern besteht darin, die Leistung von GaN-FETs auf ein noch höheres Niveau zu bringen, indem Leit- und Schaltverluste weiter reduziert und gleichzeitig die Zuverlässigkeit der Bauelemente verbessert werden. Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über GaN-FET-Technologien und -Topologien und zeigt auf, wo GaN derzeit in der breiteren Anwendungslandschaft angesiedelt ist. Des Weiteren wird erörtert, wie Nexperia durch die Verbindung der bewährten Vorteile seiner Hochleistungs-GaN-FETs mit seinem robusten, niederinduktiven Kupfer-Clip-Gehäuse Bauelemente anbieten will, die ein hervorragendes Schaltverhalten mit einem Höchstmaß an Zuverlässigkeit kombinieren, um die Anforderungen neuer Anwendungen und deren ständig steigenden Leistungsanforderungen zu erfüllen.

Sehr gute Schaltleistung von e-mode und Kaskoden-GaN

Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) sind als Anreicherungstyp (engl. e-mode: enhancement mode) oder Kaskodenvariante die vorherrschenden GaN-FET-Bauelementtypen auf dem Markt. E-mode-FETs sind selbstsperrende Bauelemente (V_th<2 V, V_GS=+7 V, -10 V), die aus einem einzigen Chip bestehen. Sie eignen sich besonders gut für Anwendungen mit kleinerer Leistung, d. h. niedrige Spannung bei höherem Strom oder hohe Spannung bei niedrigem Strom. Sie haben jedoch den Nachteil einer komplexeren Ansteuerung, da für die vollständige Ausschaltung teilweise negative Spannungspegel benötigt werden. Im Gegensatz dazu sind Kaskoden-FETs selbstsperrende Bauteile mit zwei Chips, die sich besonders für alle Arten von Hochleistungsanwendungen eignen. Sie haben robustere Gate-Parameter (V_th = 4 V, V_GS= ±20 V) und lassen sich leichter ansteuern, da sie keine negative Spannung benötigen.

Die überlegenen Materialeigenschaften von GaN bieten mehrere Vorteile für leistungselektronische Anwendungen:  Die Kombination aus größerer Bandlücke, höherer kritischer Feldstärke und höherer Elektronenbeweglichkeit in einem Bauelement ohne Sperrschicht ermöglicht den Betrieb mit signifikant gesteigerter Schaltfrequenz. Außerdem bietet GaN den niedrigsten theoretischen Einschaltwiderstand (R_DS(on)) und damit geringere Leitungsverluste.

Leistungselektronische Topologien und Anwendungslandschaft

Für die Versorgung in zahlreichen Telekommunikationsanwendungen erfolgt die Herabsetzung der Spannung von 400 V auf 48 V mittels galvanisch getrennter Gleichspannungswandler. Hierfür kommen üblicherweise phasenverschobene Vollbrücken- (PSFB) und LLC-Wandler zum Einsatz, welche von einer Kombination aus effizienten 650-V-Kaskoden-Bauelementen auf der Eingangsseite und 100/150-V-e-mode-Bauelementen auf der Ausgangsseite optimiert werden können. GaN-FETs ermöglichen auch hocheffiziente Audioverstärker und LiDAR für fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) in Automobilen. GaN-Bauelemente eignen sich weiterhin für den Einsatz in Schaltkreisen zur Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und in Wechselrichtern in Photovoltaik- und Energiespeichersystemen. Bild 1 zeigt die Anwendungslandschaft für GaN-FETs im Vergleich zu SiC- und Si-basierten Bauelementen. Während Si weiterhin die Mainstream-Technologie für Anwendungen bis zu 6,5 kV ist, zielt SiC auf Anwendungen mit mittlerer und hoher Leistung von 650 V bis zu 3,3 kV ab. GaN zielt auf Anwendungen mit Betriebsspannungsbereichen von 80 V bis 650 V bei höchsten Schaltfrequenzen.

CCPAK bringt die Leistung von GaN-FETs auf das nächste Level

Kupfer-Clip-Gehäuse wie das CCPAK von Nexperia haben mehrere Vorteile gegenüber Drahtbond-Gehäusen, insbesondere bei Anwendungen mit höherer Leistung.

Sehr gute Hochstromleistung

Kupfer-Clip-Gehäuse haben eine bessere Stromleitfähigkeit, da der Chip nicht mit dünneren Bonddrähten, sondern mit einer größeren Clip-Oberfläche kontaktiert wird. Dadurch wird eine gleichmäßigere Stromverteilung an den Kontaktstellen gewährleistet, und die bei Bonddrähten bekannte Gefahr von Stromüberlastung und lokaler Überhitzung minimiert. Ein weiterer Vorteil von Kupferclips ist die Verringerung des R_DS(on), da der Beitrag des Gehäusewiderstands R_pkg viel geringer ist als bei Einsatz von Bonddrähten. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig, wenn ein Gesamt-R_DS(on) ≤ 25 mΩ angestrebt wird. Als abschließender Aspekt ist die höhere parasitäre Induktivität der Bonddrähte zu nennen, die das Schalten des Bauelements negativ beeinflussen können. Kupfer-Clip-Gehäuse haben von Natur aus eine viel geringere parasitäre Induktivität (L_pkg), was höhere Schaltgeschwindigkeiten und geringere Schaltverluste ermöglicht.

Verbesserte strukturelle Zuverlässigkeit

Auf Leiterplattenebene sind oberflächenmontierte Kupfer-Clip-Gehäuse mit freiliegenden Anschlüssen zuverlässiger als vollständig geschlossene Gehäuse (Bild 2). Der Grund dafür ist, dass vollständig umschlossene Anschlüsse nur eine eingeschränkte Bewegung als Reaktion auf Temperaturschwankungen und die durch Vibrationen verursachten mechanischen Belastungen zulassen. Im Laufe der Zeit können diese zu Rissen in der Formmasse oder zum Versagen der Lötstellen führen. Daher bieten Kupfer-Clip-Gehäuse mit externen Anschlussdrähten ein höheres Maß an Flexibilität, um diese Spannungen zu absorbieren und so ihre Auswirkungen auf die Lötstellen und das Gehäuse abzuschwächen.

Unterstützt Design-Topologien für ständig steigende Leistungspegel

Um die von der wachsenden Zahl von Hochleistungsanwendungen geforderten Leistungspegel zu erreichen, müssen mehrere GaN-FETs als Teil einer Halbbrückentopologie parallelgeschaltet werden können. Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung besteht jedoch darin, eine gleichmäßige Stromaufteilung zwischen mehreren parallelen Bauelementen zu gewährleisten und gleichzeitig die Schaltstabilität zu erhalten. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass parallel geschaltete GaN-FETs den Strom gleichmäßig aufteilen, da übermäßige Verluste in einem einzelnen Bauteil zu einer Reduktion der Zuverlässigkeit und Lebensdauer führen können. Darüber hinaus ist es entscheidend, dass stabile Schaltvorgänge aufrechterhalten werden, denn übermäßige Schwingungen können zu einem unzulässigen Anstieg der Schaltverluste führen. Nexperia hat bereits gezeigt, dass durch sorgfältiges Layout, kurze Anbindung des Gate-Treibers mit symmetrischer Zweigimpedanz und korrekt platzierten DC-Kondensatoren mit Resonanzdämpfung eine sehr gute Stromaufteilung bei Parallelbetrieb seiner 650 V TO-247 Kaskoden-GaN-FETs erreicht werden kann und beispielhaft mit einer induktiven Last auf einer 4-lagigen FR4-Leiterplatte veranschaulicht. Derzeit wird getestet, wie durch eine Parallelschaltung von bis zu 5 CCPAK-GaN-FETs eine noch höhere Leistung erzielt werden kann, um Schaltströme von mehr als 200 A für Anwendungen mit Leistung über 10 kW zu erreichen. Die Demo-Platine mit mehreren parallel geschalteten CCPAK-GaN-FETs ist in Bild 3 dargestellt und die bisherigen Ergebnisse verdeutlichen das große Potenzial des CCPAK-Parallelbetriebs.

Fazit

Nexperia bietet bereits 100-V- und 150-V-e-mode- sowie 650-V-e-mode- und Kaskoden-GAN-FETs in einer Reihe von Gehäusen an, darunter TO-, DFN- und Wafer-Level-Optionen. Diese Bauelemente bieten herausragende Schaltleistungen und Wirkungsgrade für verschiedene Anwendungen in Industrie, erneuerbare Energien und der Telekommunikation. Das Unternehmen überträgt nun seine über zwei Jahrzehnte lange Erfahrung mit Kupfer-Clip-Gehäusen auf sein GaN-Bauelemente-Produktprogramm und bringt 650-V-Kaskoden-FETs im Gull-Wing-Gehäuse CCPAK1212 auf den Markt. (neu)