Wo liegen die Design-Herausforderungen bei GaN-Bauelementen für die Stromversorgung?

Bild 1: Der GaN063-650WSAQ von Nexperia ist ein 650-V-GaN-FET mit 50 mΩ. Nexperia

Die FET-Technologie (Silizium-Feldeffekttransistor) ist seit Jahrzehnten die erste Wahl für zahlreiche Leistungsanwendungen. In dieser Zeit haben die Hersteller große Fortschritte bei der Reduzierung des Durchgangswiderstands erzielt und gleichzeitig die Durchbruchspannung verbessert, um Verluste zu verringern und die Sicherheitsspanne zu erhöhen.

Durch den Einsatz von Fertigungstechniken wie vertikalen Architekturen, bei denen der Silizium-Wafer voll genutzt wird, konnten die Anbieter die Schaltfrequenz erhöhen. Dadurch ist es wiederum möglich, die Größe und das Gewicht von Stromversorgungen durch die Verwendung kleinerer passiver Hilfsbauelemente zu reduzieren. Verluste, die auftreten, wenn sich der Transistorzustand ändert, sind jedoch schwer zu vermeiden, da die Eigenschaften von Silizium dazu führen, dass Ladungsträger Zeit benötigen, um abgebaut zu werden, nachdem der Kanal abgeschaltet wurde. Auch bei der Prozessgestaltung sind Kompromisse bei Durchgangswiderstand und Durchbruchspannung nicht umgehbar.

Was spricht für GaN?

Obwohl die Siliziumtechnologie Reife und Kosteneffizienz beanspruchen kann, richtet sich die Aufmerksamkeit jetzt auf Materialien wie Galliumnitrid (GaN), um die Leistung von Power-Delivery-Schaltungen zu verbessern. Ein wesentlicher Vorteil von GaN liegt in seiner Bandlückenenergie von 3,4 eV, die um ein Vielfaches höher ist als die 1,1 eV von Silizium. Dieses Merkmal führt zu einer höheren Durchbruchspannung, die Entwickler für kleinere Transistorabmessungen nutzen können. Dies kann zu niedrigeren Gate- und Ausgangskapazitäten führen, die dazu beitragen, die Schaltfrequenzen in den Megahertz-Bereich zu bringen.

Das zweite wichtige Merkmal von GaN ist seine inhärente höhere Ladungsträgerbeweglichkeit. Die Elektronenbeweglichkeit von GaN ist fast 40 Prozent höher als die von Silizium. Die hohe Beweglichkeit entsteht durch die Art und Weise, in der sich an den Grenzflächen zwischen den Bauelement-Materialien ein zweidimensionales Elektronengas bildet, ein Merkmal, das Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMTs) eigen ist und in anderen Materialien wie Galliumarsenid (GaAs) zu finden ist. Die hohe Beweglichkeit ermöglicht außerdem einen niedrigen Durchgangswiderstand, der für den Hochstrombetrieb geeignet ist.

Im Vergleich zu Silizium lassen sich GaN-Bausteine unter Hochtemperaturbedingungen betreiben, welche für Silizium-Bausteine eine Herausforderung darstellen. Dadurch ist es möglich, kleinere Kühlkörper einzusetzen, wodurch das Volumen und das Gewicht der Leistungselektronik weiter sinkt.

Überlegungen zum Design für GaN-Bauelemente

Obwohl die Leistung von GaN-Bausteinen gegenüber vergleichbarem Silizium entscheidende Vorteile bietet, gibt es wichtige Überlegungen zum Design. Hohe Schaltfrequenzen bieten Vorteile hinsichtlich Größe und Effizienz, jedoch können hohe Änderungen von Strom und Zeit in Kombination mit parasitären Induktivitäten unerwünschte transiente Spannungen auf der Leiterplatte erzeugen. Diese Transienten können das Gate und die Treiberschaltung des Bausteins stören und möglicherweise zu anhaltenden Schwingungen führen, die unterdrückt werden sollten, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Entwickler können diese Bedingungen durch Techniken auf der Leiterplatten-Ebene steuern, die parasitäre Induktivitäten minimieren, und Snubber-Bauelemente wie Kondensatoren mit niedrigem Ersatzserienwiderstand einsetzen.

Darüber hinaus kann es sein, dass Entwickler, die sich mit Designs von Silizium-MOSFET-Schaltungen beschäftigen, nicht mit allen Arten von GaN-Verhalten vertraut sind. Viele GaN-Leistungstransistoren sind normal eingeschaltete Bausteine im Verarmungsmodus, während Silizium-MOSFETs in normal ausgeschalteter Form im Anreicherungsmodus weit verbreitet sind. Dies erfordert einige feine Änderungen an der Gate-Treiberschaltung, wie beispielsweise die Fähigkeit, negative Spannungen anzulegen, um den GaN-FET vollständig auszuschalten. Eine weitere Überlegung betrifft den Umgang mit den hohen Anstiegsraten, die insbesondere auf der High-Side von Halbbrücken-Leistungswandlern auftreten. Gate-Treiber müssen eine gute Störfestigkeit bei Gleichtakt-Transienten bieten.

Mit einer vielfältigen Palette an neuen GaN-Produkten, die auf den Markt kommen, entwickeln Halbleiterhersteller wie Infineon Technologies, Nexperia und NXP Lösungen, mit denen Entwickler die Herausforderungen einer neuen Technologie bewältigen und die Vorteile der GaN-Technologie in ihre Designs integrieren können.

Integrierte Lösungen

Bild 3: Die GaN-Leistungstransistoren von NXP, darunter der MRF24G300HS, ermöglichen HF-Power-Delivery im ISM-Band. NXP

Eine Möglichkeit, die Einschränkungen auf Leiterplattenebene eines Leiterplatten-Designs mit geringen parasitären Elementen für die GaN-Technologie anzugehen, besteht darin, eine integrierte Lösung wie den GAN063-650WSAQ von Nexperia zu verwenden. Der 650-V-GaN-FET mit 50 mΩ ist ein normal ausgeschalteter Baustein, in dem die aktuellsten Hochspannungs-GaN- und Niederspannungs-Silizium-MOSFET-Technologien von Nexperia kombiniert sind.

Der GAN063-650WSA eignet sich für den Einsatz in Leistungswandlern für Industrie und Kommunikation, Photovoltaik-Wechselrichtern, Motorantrieben und Front-Ends zur Leistungsfaktorkorrektur und bringt GaN- und Silizium-MOSFET-Technologien in einem einzigen Gehäuse unter, um Entwicklern mehrere Vorteile zu bieten. Der erste Vorteil der gemeinsamen Unterbringung der verschiedenen Bausteintypen, anstatt sie separat auf einer Leiterplatte zu montieren, liegt in den inhärent geringen parasitären Elementen der Gate-Treiber-Schaltung. Der zweite Vorteil besteht darin, dass das Produkt als normal ausgeschalteter Baustein im Anreicherungsmodus vorliegt, der sich leicht mit einer herkömmlichen Gate-Treiberschaltung verbinden lässt, da der Silizium-MOSFET ein 30-V-Baustein ist, der einen 650-V-Leistungstransistor steuert. Schließlich bieten die abgestimmten Bausteine eine hohe Störfestigkeit gegen Transienten in hart schaltenden Leistungstopologien, wie z. B. der Totem-Pole-Konfiguration, die in PFC-Front-Ends (Leistungsfaktorkorrektur) bevorzugt wird, sowie in Topologien, die weichere Schalttechniken verwenden.

GaN ist robust und für Hochtemperatur geeignet

Infineon verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Entwicklung von Leistungstransistoren und hat verschiedene Technologien berücksichtigt, um für jeden Zielmarkt die richtige Lösung anzubieten. Der Hersteller bietet derzeit sowohl Silizium-Bausteine in Form von MOSFET- und IGBT-Architekturen (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) als auch Bausteine aus GaN und Siliziumkarbid (SiC) an, einem Material, das für den Einsatz bei sehr hohen Temperaturen und in Anwendungen geeignet ist, bei denen Robustheit unbedingt erforderlich ist.

Ein wichtiges Merkmal des IGT60R070D1 und anderer Bausteine der CoolGaN-Produktfamilie von 600-V-Leistungstransistoren des Unternehmens ist, dass sie einen Betrieb im Anreicherungsmodus sowie eine einfachere Integration in Schaltungsdesigns ermöglichen und gleichzeitig die Vorteile sehr hoher Schaltgeschwindigkeiten bieten. Der IGT60R070D1 liefert einen Durchgangswiderstand von nur 70 mΩ, eine Gate-Kapazität von 5,8 nC und eine sehr robuste Kommutierung.

Infineon hat die IC-Produktfamilie EiceDriver entwickelt, um das Ansteuern mit den höheren Gate-Spannungen von GaN-Bausteinen zu vereinfachen. Diese Gate-Treiber ermöglichen eine hohe Schaltfrequenz an einem GaN-Transistor wie dem IGT60R070D1, was durch ihre erweiterte gute Störfestigkeit bei Gleichtakt-Transienten ermöglicht wird. Während der isolierte EiceDriver-Gate-Treiber dem Entwickler die Flexibilität bietet, das Baustein-Layout auf der Leiterplatte abzustimmen, erzeugt er gleichzeitig die negative Gate-Source-Spannung, die erforderlich ist, um sichere Ausschaltzustände beim Schalten von Transienten zu gewährleisten und den Leistungstransistor vor störenden Einschaltereignissen zu schützen. Durch die integrierte galvanische Trennung können die Gate-Treiber-ICs die Unterstützung bieten, die für die Implementierung hart schaltender Halbbrückenanwendungen erforderlich ist, z. B. die für die PFC erforderliche Totem-Pole-Topologie.

Umsetzung von HF-Power-Delivery

Die mit GaN erreichbaren hohen Schaltfrequenzen eignen sich für eine Reihe von Anwendungen im Bereich der HF-Power Delivery, wie z. B. industrielles Heizen, Schweißen und Heißsiegeln sowie Plasmaerzeugung. Die HF-GaN-Leistungstransistoren von NXP, darunter der MRF24G300HS, ermöglichen die HF-Power-Delivery im lizenzfreien ISM-Band (2400 bis 2450 MHz) innerhalb des Funkspektrums. Um eine hohe Wärmeleistung bereitzustellen, ist der GaN-Transistor auf einem SiC-Substrat implementiert, wodurch entweder ein Dauerstrich- oder ein Impulsbetrieb ermöglicht wird. Unter Dauerstrichbedingungen kann der Baustein eine Leistung von 336 W liefern.

Die GaN-Technologie bietet entscheidende Vorteile gegenüber der herkömmlichen Silizium-MOSFET-Technologie, welche die weitere Entwicklung neuer Anwendungen unterstützen und gleichzeitig kompaktere und effizientere Stromversorgungen ermöglichen. Um die GaN-Technologie optimal zu nutzen, können sich Entwickler an globale Elektronik-Distributoren wie Farnell mit umfassenden Design-In-Support-Funktionen wenden, um die richtige Lösung zu finden und auf das Know-how zuzugreifen, das für die Entwicklung ihres nächsten Projekts und die potenzielle Erschließung neuer Märkte erforderlich ist.

(na)