Neu entwickelte Leistungsschalter mit breiter Bandlücke (Wide-Band-Gap, WBG) sollen den heutigen, erhöhten Anforderungen entsprechen. Mit Breitlücken-Bauteilen statt konventioneller Silizium-Leistungshalbleiter lässt sich die typische Effizienz von DC/DC-Wandlern von etwa 85% auf nahezu 95% und die typische Effizienz von DC-AC-Umrichtern von 96% auf 99% steigern.

Eckdaten

Kommerzielle GaN-Leistungstransistoren mit Durchschlagspannungswerten von bis zu 600 V sind jetzt auf dem Markt verfügbar. Entwickler von Leistungsdesigns profitieren von der zuverlässigeren Performance, die Halbleiter mit großer Bandlücke im Vergleich zu Siliziumbauteilen wie Superjunction-Transistoren bieten. Um die verbesserten Geschwindigkeiten und Fähigkeiten der neuen Bauteile voll auszuschöpfen, ist ein sorgfältiges Design von Ein-/Aus-Schaltungen erforderlich, einschließlich der Anwendung von Hochfrequenz-Designprinzipien für zuverlässiges Schalten und optimale Energieeffizienz.

Unter den WBG-Bauteilen, die heute auf dem Markt erhältlich sind, bieten GaN-HEMT-Transistoren (Galliumnitrid High Electron Mobility) mit Spannungswerten von bis zu 600 V Vorteile gegenüber Silizium-basierten Alternativen wie Superjunction-Transistoren. Dazu zählt zum Beispiel eine weitaus niedrigere Eingangs- und Ausgangskapazität (Ciss und Coss), was Schaltverluste reduziert. Zudem sind die Auswirkungen des Miller-Effekts bei einem GaN-Transistor sehr viel geringer als bei einem MOSFET mit vergleichbarem RDS(ON), sodass sich ein GaN-Bauteil sehr viel schneller ein- und ausschalten lässt. Das ermöglicht wiederum die Nutzung kleinerer Transformatoren und passiver Komponenten. Hinzu kommt, dass der geringere On-Widerstand pro Die-Fläche Leitungsverluste reduziert. Designer profitieren somit von diversen Vorteilen in Bezug auf Energieeffizienz, Bauteilgröße sowie Kosten und Größe von Kühlkörpern und anderen Wärmemanagementkomponenten.

Marktentwicklung von GaN

Bis vor Kurzem war GaN-Technologie noch erheblich teurer als die gängigeren Silizium-basierten Alternativen. Zudem optimierte die Entwicklung des Superjunction-Transistors die sogenannte Figure-of-Merit von Siliziumtechnologie, was der umfassenden Verbreitung von GaN-Bauteilen entgegenstand. Mittlerweile ist GaN durch Weiterentwicklung und Größenvorteile jedoch wirtschaftlich rentabler. Hinzu kommt die steigende Nachfrage nach höherer Performance und Effizienz bei der Leistungsumwandlung. Deshalb kommen GaN-Bauteile heute immer häufiger zum Einsatz.

Es gibt zwei Arten von GaN-Leistungstransistoren. Jene vom Verarmungstyp sind selbstleitend und erfordern eine negative Gate-Spannung gegenüber den Drain- und Source-Elektroden zum Ausschalten. Der Anreicherungstyp ist selbstsperrend und schaltet sich durch eine positive Gate-Spannung ein.

Bild 1: Eine Kaskodenkonfiguration kombiniert die Leistungsvorteile von GaN mit selbstsperrenden Eigenschaften.

Bild 1: Eine Kaskodenkonfiguration kombiniert die Leistungsvorteile von GaN mit selbstsperrenden Eigenschaften. Gan Systems

Der Verarmungstyp bietet eine bessere Performance und Widerstandsfähigkeit, bringt jedoch die Gefahr von Kurzschlüssen beim Start mit sich. In einer Halbbrückentopologie, bei der sowohl der untere als auch der obere Schalter ein GaN-FET vom Verarmungstyp ist, müssen die Gate-Steuerschaltungen beispielsweise zunächst gestartet werden. Sie liefern damit eine negative Vorspannung und sorgen dafür, dass die Transistoren ausgeschaltet bleiben. Dadurch entsteht beim Hochfahren des DC-Busses kein Kurzschluss. Eine Alternative ist die Verwendung eines GaN-Transistors vom Verarmungstyp in Kaskodenkonfiguration, kombiniert mit einem Silizium-MOSFET mit niedriger Spannung. Wie Bild 1 zeigt, ist die GaN-Transistor-Source mit dem Silizium-MOSFET-Drain und die Silizium-MOSFET-Source mit dem GaN-Transistor-Gate verbunden. Wird keine Vorspannung an das Silizium-MOSFET-Gate angelegt, versorgt die Drain-Source-Spannung (Vds) das GaN-Transistor-Gate mit negativer Vorspannung, sodass das Bauteil ausgeschaltet bleibt. Kombinierte Kaskoden-GaN-Leistungstransistoren wie der NTP8G202NG von ON Semiconductor sind bereits erhältlich.

Ein GaN-HEMT vom Anreicherungstyp ist selbstsperrend und eliminiert damit die Kurzschlussgefahr beim Start. Der GS66516B von Gan Systems mit 650 V ist beispielsweise für eine niedrige Gate-Spannung von nur 0 bis 6 V und hohe Überspannungen am Gate von -20 bis +10 V geeignet und vereinfacht so die Entwicklung weiter. Mit sechs Kontakten und einem Gehäuse zur Unterseitenkühlung sowie einem geringen On-Widerstand von 25 mΩ ist er für eine Drain-Source-Spannung von bis zu 10 A geeignet und bietet eine Schaltfrequenz von bis zu 10 MHz.

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