Die neu vorgestellte Generation von Galliumnitrid-Feldeffekttransistoren (GaN-FET) mit Nennspannungen von 650 V und 600 V besitzen einen integrierten, schnell schaltenden 2,2-MHz-Gatetreiber. Sie helfen damit Entwicklern, die Leistungsdichte ihrer Designs zu verdoppeln, einen Wirkungsgrad von 99 Prozent zu erzielen und den Bauraum der Leistungs-Induktivitäten gegenüber bestehenden Lösungen um 59 Prozent zu reduzieren.

Texas Instruments hat sein Portfolio um GaN-FETs für Automotive-und Industrial-Anwendungen erweitert, die über einen integrierten schnell schaltenden Treiber sowie Schutz- und Temperatursensor-Funktionen verfügen.

Texas Instruments hat sein Portfolio um GaN-FETs für Automotive-und Industrial-Anwendungen erweitert, die über einen integrierten schnell schaltenden Treiber sowie Schutz- und Temperatursensor-Funktionen verfügen. Texas Instruments

Entwickelt wurden die FETs auf Basis der propriatären GaN-Werkstoffe von TI auf einem GaN-on-Silicon-Substrat, was sowohl kostenmäßige als auch logistische Vorteile gegenüber vergleichbaren Substratmaterialien wie etwa Siliziumkarbid (SiC) bietet.

Im Automotive-Bereich kann die Verwendung der GaN-FETs dazu beitragen, die Abmessungen der Bord-Lagegeräte und Gleichspannungswandler von Elektrofahrzeugen gegenüber bestehenden Si- oder SiC-Lösugnen um bis zu 50 Prozent zu reduzieren, sodass die Entwickler mehr Reichweite pro Batterieladung, eine erhöhte Systemzuverlässigkeit und niedrigere Designkosten erzielen zu können. In Industrie-Designs ermöglichen die GaN-Bauelemente ein hohes Maß an Effizienz und Leistungsdichte für Netzstromversorgungen, bei denen es auf niedrige Verluste und eine geringere Leiterplattenfläche ankommt. Dazu gehören Hyperscale- und Enterprise-Computing-Plattformen udn Gleichrichter für die 5G-Mobilkommunikation.

Integrierte Funktionen verschlanken Designs

Die Integration von Treiber und internen Schutz- und Temperatursensor-Funktionen im Verbund mit hoher Leistungsdichte der GaN-Technologie gibt Ingenieuren die Möglichkeit, auf mehr als zehn Bauelemente, die in diskreten Lösunge üblicherweise notwendig sind, zu verzichten. Hinzu kommt, dass jeder der vorgestellten 30-mΩ-FETs in Halbbrücken-Konfigurationen eine Leistung von bis zu 4 kW unterstützt. In der Vergangenheit musste eine hohe Schaltgeschwindigkeit stets mit hohen Verlusten erkauft werden. Um diesen Kompromiss zu umgehen, bieten die neuen GaN-FETs den verlustmindernden Ideal-Diode-Modus von TI. Bei der Leistungsfaktor-Korrektur zum Beispiel senkt der Ideal-Diode-Modus die Verluste im dritten Quadranten im Vergleich zu diskreten GaN- und SiC-MOSFETs um bis zu 66 %. Außerdem ermöglicht der Ideal-Diode-Modus den Verzicht auf eine adaptive Totzeitregelung, was die Komplexität der Firmware verringert und die Entwicklungszeit verkürzt.

Mit seinem gegenüber dem nächsten Konkurrenten um 23 % gesenkten thermischen Widerstand gibt das Gehäuse der GaN-FETs den Entwicklern die Möglichkeit, kleinere Kühlkörper zu verwenden und die thermische Auslegung zu vereinfachen. Die neuen Bauelemente zeichnen sich unabhängig von der Anwendung durch eine hohe thermische Designflexibilität aus und bieten die Möglichkeit, zwischen einem ober- oder unterseitig gekühlten Gehäuse zu wählen. Die integrierte digitale Temperaturmeldung der FETs erlaubt ferner ein aktives Power-Management und gestattet Ingenieuren das Optimieren der thermischen Eigenschaften eines Systems unter wechselnden Last- und Betriebsbedingungen. 

Untergebracht sind die GaN-Bausteine in einem 12 mm × 12 mm großen QFN-Gehäuse. Vorserien-Exemplare der 650-V-Automotive-GaN-FETs LMG3522R030-Q1 und LMG3525R030-Q1 sowie die zugehörigen Evaluierungsmodule sind voraussichtlich vom ersten Quartal 2021 an verfügbar.