Galliumnitrid-Leistungsschalter GaN schnell implementieren

Auf der diesjährigen PCIM Europe waren GaN-Leistungsschalter ein heißes Thema, nachdem sich in den letzten Jahren viel um Siliziumkarbid als Material für Leistungshalbleiter gedreht hatte. Diverse etablierte Unternehmen wie auch Startups haben GaN-Bauteile angekündigt oder bereits vorgestellt. Nun besteht die Herausforderung darin, diese schnell und einfach einzudesignen.

Silizium stößt hinsichtlich Geschwindigkeit, Temperaturfestigkeit, Energieeffizienz und Belastbarkeit mittlerweile an seine Grenzen. Galliumnitrid ist neben Siliziumkarbid das Material, das Leistungshalbleiter aus Silizium ablösen soll. Bei Leistungselektronik-Fachmessen in den USA und in Europa ist die Einführung von GaN-Bauteilen immer wieder das heißeste Thema. Doch wie bei jeder Einführung einer neuen Technologie gilt es auch hier, eine immer gleiche Herausforderung zu meistern: Wie schafft man einen Wissenspool, sodass Entwickler die neuen Bauteile schnell und einfach eindesignen können, ohne die Kopfschmerzen durchmachen zu müssen, die Technologie-Vorreiter nur allzu gut kennen.

Dieses Problem stellt sich bei der Einführung von GaN-Bauteilen in verschärfter Form, weil die hohen Erwartungen an diese Technologie zum Teil überspannt sind und erst wenige reale GaN-Bauteile verfügbar sind, mit denen Ingenieure in die Entwicklung einsteigen können. Deshalb engagiert sich GaN Systems, ein kanadischer Hersteller von Galliumnitrid-Transistoren, für ein »GaN-Ökosystem« aus Lieferanten und Anwendern, um Entwickler und Systemingenieure zu unterstützen und ihnen die Umstellung auf GaN-ICs zu erleichtern.

Die große Aufregung um GaN erklärt sich durch die Besonderheiten dieses Materials und seine einzigartigen elektrischen Eigenschaften. Bauteile aus diesem Material bieten fünf bemerkenswerte Eigenschaften: hohe Spannungsfestigkeit, hohe Temperaturfestigkeit, hohe Stromdichte, hohe Schaltgeschwindigkeit und niedriger On-Widerstand. Diese Vorzüge sind den besonderen Materialeigenschaften von Galliumnitrid zu verdanken, das im Vergleich zu Silizium eine zehnfach höhere Sperrspannung, einen dreifach größeren Bandabstand und eine ungewöhnlich hohe Trägermobilität aufweist.

»Inseln« im »Meer«

GaN Systems verwendet eine besondere Chipstruktur für die Bauteile (Bild 1). Der Schalter besteht aus einem »Meer« mit Source- und Drain-»Inseln«, zwischen denen eine gemeinsame Gate-Region verläuft. Dadurch verringert sich die Chipfläche des Transistor um bis zu Faktor 4. Außerdem vereinfacht sich der Halbleiterprozess, dadurch sinken die Produktionskosten.

Diese Technologie ermöglicht zudem höhere Sperrspannungen von über 1200 V. In jeder Source-Insel fließt der Strom direkt vom Chip durch einen Kupferpfosten zu der Verbindungsstruktur auf der Oberfläche, die den Chip trägt. Jede Drain-Insel ist über eine durch das Substrat gehende Durchkontaktierung (Through-Substrate-Via) mit einem gemeinsamen Anschlusspad auf der Rückseite des Chips verbunden. Dadurch, dass kein großer Strom durch die chipinterne Metallisierung fließt, ist es möglich, hohe Ströme zu schalten, ohne eine Elektromigration befürchten zu müssen. Diese Konstruktion ermöglicht eine Flip-Chip-Montage und macht Bonddrähte überflüssig. Letztere weisen eine signifikante Induktivität auf und führen bei Designs, die mit der optimalen Schaltgeschwindigkeit von etwa 50 V/ns arbeiten, zu hochfrequenten Schalttransienten und Leistungsverlusten.

Die Bauteile von GaN Systems wurden anfänglich in GaN-on-SiC-Prozessen gefertigt. Derzeit wird auf GaN-on-Silicon umgestellt, davon verspricht man sich weitere Kosteneinsparungen.

Verschiedene Demonstratoren

Zur Demonstration der Leistungsfähigkeit seiner Bauteile hat GaN Systems zusammen mit Arkansas Power Electronics International (APEI), einem Hersteller von DC/DC-Wandlern, einen Aufwärtswandler für 2 kW bis 5 kW mit 1 MHz Schaltfrequenz und 400 V Ausgangsspannung entwickelt (siehe Anlaufbild). Das Design und die Testergebnisse finden sich unter [1].

Der Wandler wurde mit zwei verschiedenen Betriebsspannungen getestet. Zunächst wurde der Wandler mit einer Eingangsspannung von 200 V betrieben; die Ausgangsspannung betrug 400 V. Die Ausgangsleistung wurde schrittweise von 750 W auf 2 kW erhöht. Dabei lag der Systemwirkungsgrad über den gesamten Leistungsbereich bei über 98% (Bild 2). Wegen der sehr geringen Leistungsverluste begnügt sich der Wandler mit einer passiven Luftkühlung.

Eine weitere Testreihe wurde mit 300 V Eingangsspannung durchgeführt; die Ausgangsspannung betrug wiederum 400 V. Wegen des veränderten Übersetzungsverhältnisses musste das Tastverhältnis angepasst werden. Bei diesem Test wurde die Ausgangsleistung von 2 kW bis 5 kW variiert.

Wie aus Bild 3 ersichtlich ist, erreicht das System zwischen 2 kW bis 4 kW einen Wirkungsgrad von über 99%, der bei 5 kW leicht bis auf 98,5% abfällt. Der Wandler wiegt nur etwa 487 g, was einer gewichtsbezogenen Leistungsdichte von etwa 10 kW/kg entspricht. 
Der hohe Wirkungsgrad des Aufwärtswandlers ist zum großen Teil der hohen Schaltgeschwindigkeit des GaN-Leistungs-HEMT zu verdanken.

Wie aus dem Oszillogramm in Bild 4 ersichtlich ist, beträgt die Einschaltzeit nur 8,253 ns; das Signal weist zudem nur ein sehr geringes Über- und Nachschwingen auf. Im Gate-Source-Spannungsverlauf sind leichte Schwingungen erkennbar, die jedoch gut unter Kontrolle sind. Die Einschalt-Slew-Rate beträgt etwa 48 V/ns - selbst im Vergleich zu aktuellen SiC-Leistungshalbleitern ein hoher Wert.

Bild 5 zeigt die Abschaltflanke. Die Abschaltzeit beträgt nur etwa 3,72 ns, das entspricht einer Slew-Rate von etwa 107 V/ns. Als Fazit kann man feststellen, dass der GaN-Leistungs-HEMT sich durch sehr hohe Schaltgeschwindigkeit auszeichnet, wodurch die Schaltverluste minimiert werden. Dieses Aufwärtswandlerdesign - das erste dieser Art auf Galliumnitrid-Basis - demonstriert nicht nur die Effektivität der Technologie, sondern ist auch ein Sprungbrett zu künftigen Automotive-Produkten wie zum Beispiel Ladegeräten für Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEVs) und voll-elektrische Fahrzeuge (EVs). Das Demo-Design von GaN Systems eignet sich bestens für Ladegeräte dieser Art.

Ein weiteres Referenzdesign - eine Leistungsfaktorkorrekturstufe - findet sich unter [2]. Das von Converter Technologies entwickelte Design basiert auf dem »GS50610Q« von GaN Systems, einem 650-V-Leistungstransistor im thermisch optimierten PQFN-Gehäuse. Es umfasst eine Treiberschaltung, die zur Einfachheit des Wandlerdesigns und zu seiner Eignung für hohe Schaltfrequenzen beiträgt.

Es handelt sich um ein Referenzdesign einer zweiphasigen, verschachtelt arbeitenden 600-W-PFC-Stufe. Die magnetischen Bauteile in der Leistungsstufe wurden für volle Leistung bei einer Schaltfrequenz von 200 kHz pro Phase ausgelegt und erlauben eine Charakterisierung 
der Systemperformance bei Schaltfrequenzen bis zu über 500 kHz. Die höheren Schaltfrequenzen, die das Galliumnitrid-basierte Design erlaubt, ermöglichen die Verwendung wesentlich kleinerer Magnetik-Bauteile mit geringeren Verlusten und kleinerer Wicklungskapazität.

Bild 6 zeigt den Systemwirkungsgrad (97,5%) bei 200 kHz. Der Leistungsfaktor liegt bei 0,98.

In Kürze möchte GaN Systems neben Referenzdesigns auch Evaluation-Kits zur Verfügung stellen, darunter ein Demo-Board eines 400-V-Aufwärtswandlers und ein Paar 600-V-GaN-Schalttransistoren vom Typ »GS30603M«.

Über den Autor:

Girvan Patterson ist CEO von GaN Systems.