Wide-Bandgap-Materialien GaN gibt Gas

In den letzten Jahren sind GaN-Transistoren für kompakte, energieeffiziente Spannungswandler aufgekommen. Diese Systeme reichen von kleinsten Steckernetzteilen über Stromversorgungen für Server bis hin zu PV-Wechselrichtern und Bewegungssteuerungen. Aber auch Fahrzeuganwendungen können profitieren.

von Yifeng Wu, Senior Vice President Engineering bei Transphorm.

Seit Transphorm im Jahr 2013 seine ersten JEDC-qualifizierten GaN-auf-Silizium-Transistoren für 600 V eingeführt hat, haben sich diese Bausteine kontinuierlich weiterentwicklt. Seither haben Tests eine systembedingte MTTF (Mean Time to Failure) von 8 · 107 beziehungsweise 3 · 107 Stunden bei Nennspannung beziehungsweise Nenntemperatur aufgezeigt.

Zwei Jahre später hat das Unternehmen den ersten 600-V-GaN-Transistor in einem TO-247-Gehäuse eingeführt. Der Baustein »TPH3205WS« mit einem On-Widerstand von 52 mΩ und einer maximalen Strombelastbarkeit von 34 A nutzt das propretäre Source-Tab-Anschlusskonzept, das die Schaltstabilität bei hohen Anstiegsgeschwindigkeiten (du/dt) verbessert. Durch die laut Hersteller äußerst geringe Speicherladung sinken damit einhergehend auch die Schaltverluste, während die Schaltgeschwindigkeiten in Netzteil- und Wechselrichterschaltungen steigen.

Aufgrund ihrer potenziellen Vorteile für die Fahrzeuge der nächsten Generation besteht seit langem ein starkes Interesse daran, GaN-Leistungsbauelemente in Fahrzeuganwendungen einzusetzen. Allerdings waren die meisten anfänglichen Einschätzungen eher pessimistisch, dass sich angesichts der Bauelementstrukturen, Eigenschaften und sonstigen Herausforderungen die erforderliche Zuverlässigkeit erzielen lassen würde. Da die 600-V-GaN-Transistoren inzwischen die JEDEC-Qualifizierung erhalten und solide Laufzeitdaten aufgezeigt haben, kann man davon ausgehen, dass sich GaN die strengen Anforderungen der Fahrzeugelektronik erfüllt.

Aufgrund ihrer verbesserten Effizienz im Vergleich zu Bauelementen aus Silizium sowie der Tatsache, dass sie eine hervorragende inhärente Freilaufdiode besitzen, eignen sich heutige GaN-Schalter besonders gut für Hilfsstromwandler bis zu 6 kW. Darunter fallen Onboard-Ladegeräte von Elektrofahrzeugen mit bidirektionalem Stromfluss. Dadurch lassen sich sowohl Elektrofahrzeuge aufladen als auch der Strom aus der Fahrzeugbatterie zur Stromversorgung auf Campingplätzen oder der eigenen Wohnung während eines Stromausfalls nutzen.

Bidirektionale Ladeschaltung

Für den Einsatz von Hochstrom-GaN-Bauelementen im Hauptantrieb in Elektrofahrzeugen wird noch Zeit vergehen, um den Fertigungsprozessen die nötige Reife zu verleihen.

Eine spezielle GaN-Topologie ist die brückenlose PFC-Schaltung, die in der anderen Stromflussrichtung als Wechselrichter fungieren kann (Bild 1). In diesem Fall wurde die Leistungsbewertung mit einer Halbbrückenschaltung, bestehend aus zwei 600-V-GaN-HEMT-Schalttransistoren im TO247-Gehäuse mit einem Durchlasswiderstand von 52 mΩ durchgeführt. Diese Bauelemente ermöglichen eine Ausgangsleistung von mehr als 3,3 kW, wobei zwei Phasen im Gegentakt über 6,6 kW liefern können.

Die Halbbrückenschaltung setzt als Aufwärtswandler mit synchroner Gleichrichtung die 240 V auf der Eingangsseite auf 400 V herauf; die Ergebnisse sind in Bild 2 dargestellt. Die PWM-Frequenz variiert von 100 kHz bis 300 kHz. Die Drossel besteht aus einem Pulververbundkern (»Kool Mµ«) mit einer Induktivität von 268 μH und einem DC-Widerstand der Wicklung von 20 mΩ, die für kontinuierlichen Strombetrieb im größten Teil des Betriebsbereichs bemessen ist. Die Speicherkondensatoren an Eingang und Ausgang besitzen eine Kapazität von 15 μF beziehungsweise 5 μF. Für die Anordnung aus Kühlkörper und thermischer Isolierung wurde ein für jedes Bauelement ein Wärmeübergangswiderstand von 2,7 K/W gemessen, wobei der Wärmeübergangswiderstand von der Sperrschicht zum Gehäuse bei jedem Bauelement 1 K/W beträgt. Alle Schaltungsverluste sind in der Leistungskurve enthalten, und jeder Datenpunkt wurde nach Einstellen des thermischen Gleichgewichts bei einer Umgebungstemperatur von +25 °C erfasst. Wie zuvor erwähnt liefert der Wandler eine Ausgangsleistung von mehr als 3,3 kW mit einem Wirkungsgrad von über 99 % bei 100 kHz beziehungsweise über 98 % bei 300 kHz. Diese hohe Leistungsniveau ist unerreichbar für Bauelemente aus Silizium bei derart hohen PWM-Frequenzen, die der Schlüssel für kompakte Schaltungs- und Systemdesigns sind.