Ultraschneller Analog-IC gibt in der Industrie den Takt an

Die UN entwarf 2015 eine Agenda für nachhaltige Entwicklung – die 17 SDGs (Sustainable Development Goals). An deren Verwirklichung wirken mehr als 178 Länder mit. Die 17 Punkte der Agenda reichen von der Armutsbekämpfung, über den Klimaschutz bis hin zu dem Ziel in integrative und nachhaltige industrielle Entwicklung zu investieren.

Der japanische Halbleiterhersteller ROHM hat sich die UN-Agenda sehr genau angeschaut und deren Ziele auf das eigene Geschäft übertragen. Entstanden sind konkrete Entwicklungsvorgaben, wie zum Beispiel die Konzentration auf Stromversorgungs- und Analog-Produkte, die zur Lösung gesellschaftlicher Probleme beitragen.

Dafür legt ROHM den Fokus seiner Entwicklung auf die Themen Energieeinsparung und Downsizing.

Die Analoglösungen und Leistungsbausteine des seit 50 Jahren in Deutschland aktiven Herstellers sind an der idealen Position, um Einfluss auf Verluste, Verbrauch und den Wirkungsgrad der jeweiligen Lösung zu nehmen. Nach Berechnungen des European Centers for Power Electronics (ECPE) kann allein durch den Einsatz neuer Technologien und hocheffizienter Leistungselektronik mehr als ein Viertel der elektrischen Energie eingespart werden.

Dafür bietet ROHM Entwicklern Bausteine und Technologien, die den Energieverbrauch von Elektrofahrzeugen, Industrie-, Energie- oder Consumer-Lösungen senken, die dazu beitragen Strommanagementlösungen kleiner auszulegen, die Zahl und Größe der Bauteile zu reduzieren, den Wirkungsgrad der jeweiligen Lösung zu erhöhen und den Entwicklern größere Flexibilität im Design ihrer Systeme zu schenken. So wie es in den Unternehmenszielen festgelegt wurde.

Dass die Produkte von ROHM in der Anwendung tatsächlich einen messbaren Gewinn bringen, ist dem erfolgreichen Einsatz neuer Halbleitermaterialien in Kombination mit dem innovativen Design der Analog-Produkte zu verdanken. ROHM nutzt für seine Leistungsbausteine neben Silizium auch Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC). Die Serienfertigung der ersten 150-V-GaN-HEMTs lief bereits 2022 an, zudem stellt ROHM 650-V-GaN-HEMTs bereit.

GaN hat bessere Schalteigenschaften und einen niedrigeren Einschaltwiderstand als Silizium-Bauelemente. GaN ist ein Halbleiter mit breiter Bandlücke, der sich in der Leistungselektronik innerhalb kürzester Zeit einen Namen gemacht hat, da er noch höhere Schaltgeschwindigkeiten bietet als SiC, hitzeresistent ist und ein sehr gutes Verhältnis von Einschaltwiderstand zu Durchschlagspannung hat. Durch die höhere Schaltfrequenz sinkt der Stromverbrauch und der Wirkungsgrad steigt, die Baugröße der Systeme kann verkleinert werden.

Die andere Seite der Medaille bilden die Niedrig Volt ICs, LSI-Produkte, die zur Ansteuerung der Mittelspannungs-Produkte dienen. Durch eine neuartige Treibertechnologie sind sie in der Lage, die hohen Schaltfrequenzen der Bandgab-Bauelemente zu steuern und deren Potential vollständig auszuschöpfen. Die analogen Steuer-ICs von ROHM können dies dank NanoPulse^TM Control.

Diese Treibertechnologie senkt die Regelungsbreite auf zwei Nanosekunden. In nur einem Schritt wandeln die ICs Spannungen von 48V auf 1,8V herunter. Das trägt zur Miniaturisierung einer Stromversorgungsschaltung bei, da die Anzahl der Peripheriekomponenten sinkt. Zur Nano-Serie gehören außerdem Nano Energy^TM (niedrige Stromaufnahme) und Nano Cap^TM (stabile Regelung).

Wie spielen EcoGaN™ und NanoPulse™ in der praktischen Anwendung ihre Vorteile aus?

• Anwendungsbeispiel industrielle Rechenzentren
  Durch die zunehmende Digitalisierung gewinnen Rechenzentren für produzierende Unternehmen eine immer größere Bedeutung. Da wären Daten zur Verfügbarkeit von Maschinen, zur Überwachung von Prozessparametern, zur Simulation von Produkt-Anläufen, auftragsbezogene Daten, Supply-Chain-relevante Daten, aufgezeichnet von SPSen, Datenloggern und einer Vielzahl an Sensoren - die Liste an Services und Nutzungsmöglichkeiten wird länger und länger. Laut der Studie „EMC Digital Universe“ verdoppelt sich die Datenmenge alle zwei Jahre.
  Der Stromverbrauch aller Rechenzentren in Deutschland lag laut BITKOM 2022 bereits bei 18 Milliarden Kilowattstunden (kWh). Ob Private-Cloud fertigungsnah, Public oder Hybrid – der Energiehunger der Rechenzentren ist eines der drängendsten Probleme unserer Zeit.
  Europäische Rechenzentrumsbetreiber haben sich zur Klimaneutralität bis 2030 verpflichtet. Langfristig werden Rechenzentren in Bezug auf ihre Resilienz, Effizienz und Nachhaltigkeit anhand der Tier 5 Platinum Kriterien beurteilt werden. Für ROHM heißt das, Leistungsschalter und analoge Bausteine für Server-Anwendungen müssen so resilient und effizient wie möglich sein. Um Überspannungen und gefährliche Spikes zu vermeiden, die zu einer Beschädigung der Bauteile führen, hat ROHM die Gate-Source-Nennspannung bei seiner GaN HEMT 150V-Serie von 6 Volt auf 8 V erhöht. Damit kann die geforderte Resilienz erreicht werden.
  
  Je höher die Taktung, umso kleiner die Baugröße oder umso größer die mögliche Ausgangsleistung. EcoGaN^TM HEMTs erreichen Schaltfrequenzen bis zu 1 MHz. Im Zusammenspiel mit analogen Hilfsstromversorgungen, die durch ihre hohe Schaltfähigkeit die Leistungsfähigkeit von GaN-FETs unterstützen, erhöht sich der Wirkungsgrad der Stromversorgung auf 96,5. Die jeweilige Eingangsspannung kann in nur einem Schritt auf wenige Volt herunter geregelt werden. Das erhöht die Leistungsdichte der Platine, senkt die Systemkosten und reduziert den Stromverbrauch der Gesamtlösung. Die Kombination der GaN-Technologie und NanoPulse^TM-Controller trägt in Serverräumen dazu bei, Verlustleistung zu minimieren und durch die Miniaturisierung (teuren) Platz besser zu nutzen.

• Anwendungsbeispiel LiDAR
  Damit sich Fahrzeuge auf der Straße, Transportsysteme in der Fabrik, Drohnen in der Luft oder Roboter bei der Zusammenarbeit mit Menschen sicher und autonom bewegen können, muss deren Umgebung möglichst schnell und möglichst genau erfasst und bewertet werden. Kollisionen müssen vermieden, Ziele gefunden, Menschen geschützt werden.
  Die ‚Augen‘ solcher Systeme sind häufig LiDAR-Sensoren (Light detection and Ranging). Je größer ihr Erfassungsbereich und je höher die Auflösung dieser Laser-basierenden Systeme ist, desto sicherer und leistungsfähiger werden sie.
  Eine gepulste Hochleistungs-Laserdiode von ROHM erreicht die gewünschte Auflösung durch die Bestrahlung mit gepulsten Hochgeschwindigkeitslasern und ist gleichzeitig leistungsstark genug, um die Reichweite des LiDAR-Systems zu erhöhen - konfiguriert durch die Kombination von EcoGaN^TM mit einem Gate-Driver IC, der im Nanosekundenbereich arbeiten kann.

• Anwendungsbeispiel Robotik
  Nur wenn Roboter oder Cobots nicht fest verkabelt sind, können sie mobil und flexibel eingesetzt werden. In Fertigungsumgebungen, die schnell auf Veränderungen reagieren müssen, sind Roboter mit dezentralem Antrieb gefragt. Die Antriebseinheit, die Leistungselektronik und die Hilfsstromversorgung oder AC/DC-Wandler kann im Roboterarm direkt an den Motor gebaut werden.
  Herz der Stromversorgung des Antriebes sind IPMs oder IGBT-Module, aber auch SiC-MOSFETs, gesteuert von einer isolierten AC/DC-Hilfsstromversorgung. ROHM bietet hierfür SMD-Bausteine auf Basis von Silizium (Superjunction MOSFET, dreiphasig) oder SiC (für einphasige Systeme). Bei der Hilfsstromversorgung kommen Controller und 1700-V-MOSFETs bzw. Controller und 730-V-Superjunction-MOSFETs zum Einsatz. Es können somit z.B. 400 Volt Eingangsspannung in einem Schritt auf 5 Volt, 3,3 Volt oder 1,8 Volt Ausgangsspannung reduziert werden, bei hoher Taktgeschwindigkeit. Die Platine der Stromversorgung kann um 86 Prozent verkleinert werden, bei gleicher Leistung. Die Miniaturisierung erleichtert dem Entwickler Leistungselektronik, Steuerung und AC/DC-Einheit in jede Roboterachse zu integrieren. Der Verkabelungs- und Montageaufwand sinkt. Der Roboter kann mobil eingesetzt werden. Durch die leistungsstarke Stromversorgung und die schnellen Schaltzyklen können Bewegungsabläufe realisiert werden, die schnell und präzise sind.

• Anwendungsbeispiel Prozessindustrie
  Auch in der Prozessindustrie wachsen die Anforderungen an das technische Equipment. Kernelement in dieser Industrie sind Pumpen in vielen Varianten. Sie transportieren die verschiedenen Medien von Prozessschritt zu Prozessschritt.
  Hocheffiziente Motoren und smarte Regelalgorithmen sind notwendig, um die Pumpen je nach Bedarf zu steuern. Der Einsatz eines GaN-Bausteins kann gegenüber eines MOSFETs auf Silizium-Basis die Leistung der Steuerung ohne zusätzliche Kühlung verdoppeln.
  Auch eine Verkleinerung des Boards bei gleicher Ausgangsleistung ist mit den ROHM-Bauteilen möglich. In diesem Fall sollte allerdings eine Wärmeabfuhr möglich sein.
  Das ist ein Kostenvorteil - insbesondere bei Produkten, die in der Prozessindustrie in großer Zahl eingesetzt werden. Dort ist der Skalierungseffekt besonders groß.