Mehr Leistungsfähigkeit auf Systemebene 1600-W-Transistoren für das L-Band

Platzsparende und leistungfährigere Systeme auf GaN-Basis.
Platzsparende und leistungfährigere Systeme auf GaN-Basis.

GaN-Leistungshalbleiter stehen kurz vor dem Eintritt in den Massenmarkt. Speziell für anspruchsvolle Anwendungen wie Luftfahrt und Radar sind Single-Ended-Transistoren auf GaN-Basis vielversprechend. Mit ihnen lassen sich deutlich platzsparendere und leistungsfähigere Systeme entwickeln.

Systementwickler benötigen oft hohe elektrische Leistungen, die sich mit nur einem Halbleiterbaustein nicht erreichen lassen. Während LDMOS-Bausteine (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor) zwar immer höhere Leistungen bieten, stehen mit der GaN-Technologie höhere Leistungsdichten und Wirkungsgrade als bisher zur Verfügung. Damit lassen sich höhere Gesamtleistungen realisieren, und die Abmessungen der Gesamtlösung können reduziert werden.

Es ist immer noch gängig, zwei oder mehrere Bausteine parallel zu schalten, um noch höhere Leistungen zu erzielen. Eine bessere Möglichkeit, mit der Kombination mehrerer Bausteine höhere Leistungen zu erzielen, besteht in der Entwicklung von einpolig geerdeten Transistoren (Single-Ended-Transistoren) mit Ausgangsleistungen auf noch höherem Niveau. Dies vereinfacht die Vorspannungsanforderungen und -Verteilung, reduziert die Abmessungen und das Gewicht und ermöglicht zusätzliche Systemvorteile. Wie lassen sich die Eigenschaften und Vorteile von Single-Ended-GaN-Transistoren nun für die Entwicklung künftiger L-Band-Systeme nutzen?

Die für Luftfahrt- und Radaranwendungen benötigten Fähigkeiten wurden bisher üblicherweise von Bipolartransistoren bereitgestellt. Heute jedoch werden diese durch LDMOS- und GaN-Transistoren ersetzt, die mehr als die doppelte Leistung bei gleicher Verlustleistung erreichen. Denn die neuen Transistor-Typen sind mit viel höheren Verstärkungs- und Wirkungsgrad-Leveln erhältlich als bisherige Transistoren. Verschiedene Hersteller bieten bereits 500-, 600- und 700-W-Transistoren an, um eine Kaskadenschaltung zu ermöglichen. Bild 1 zeigt ein Blockdiagramm eines typischen 3200-W-Verstärkers.

Zuverlässigkeit durch Redundanz

Entscheidend für hochzuverlässige Systeme ist Redundanz. Deshalb sind parallele Pfade durch die Kaskadenschaltung üblich, die weiche Ausfälle (Soft Failures) verhindern. Allerdings bringt dies zusätzliche Herausforderungen hinsichtlich der Vorspannungsverteilung und der Platzierung des Elektrolytkondensators mit sich.

Bei GaN entsteht außerdem eine negative Versorgungsspannung, die ebenfalls bedacht werden muss. Um die Entwicklungsarbeit zu vereinfachen, werden beispielsweise flexible Lösungen mit hohen Integrationsdichten angeboten, zum Beispiel sogenannte Pallets.

Eine solche Lösung ist das „Gemini Package“, das zwei Transistoren und zwei Anschlüsse am Ein- und Ausgang enthält (Bild 2). Auch externe Kombinationsmöglichkeiten sind mit der Lösung realisierbar. Alternativ kann ein Single-Ended-Transistor die erforderlichen höheren Leistungspegel bereitstellen. Ein Beispiel ist der 1600-W-Transistor 1011GN-1600VG von Microsemi. Dieser wurde entwickelt, um eine höhere HF-Ausgangsleistung mit einem höheren Wirkungsgrad und einfacher Handhabung zu kombinieren.

Die neuesten Single-Ended-Transistoren enthalten mehrere große und hocheffiziente Transistor-Zell-Arrays und erfüllen zugleich alle gestellten Anforderungen hinsichtlich des thermischen Verhaltens sowie bezüglich eines zuverlässigen Betriebs in bestehenden Rack-Boxen. Bild 3 zeigt, wie sich mit zwei 1600-W-Single-Ended-Transistoren in GaN-Technologie eine Leistung von mehr als 3000 W erzeugen, die DC- und HF-Verteilung vereinfachen und die Komplexität sowie die Abmessungen und das Gewicht der endgültigen Lösung verringern lassen.

 

Ein Markt für GaN

Mit Single-Ended-GaN-Transistoren hat sich GaN nun zu einer aussichtsreichen Alternative zur LDMOS-Technik entwickelt. Insbesondere für Luftfahrt-Anwendungen ist die GaN-Technik attraktiv, denn mit ihr sind weitere Verringerungen der Abmessungen und des Gewichts möglich.

Durch hohe Leistungspegel und eine Drain-Effizienz von über 70 % ermöglichen diese Bausteine sowohl ein hohes Maß an Systemintegration als auch eine hohe Leistungsfähigkeit. Ein weiterer Pluspunkt: Das Design der Systemlösung bleibt einfach.