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Zuverlässige Lidar-Systeme auf Langzeit

GaN punktet bei Lidar

10. Dezember 2020, 14:29 Uhr   |  Autoren: Alex Lidow Ph.D. und John Glaser Ph.D.; Redaktion: Ute Häußler

GaN punktet bei Lidar
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Seitlich emittierende Laser, Transistoren und ICs auf GaN-Basis eignen sich mit hoher Geschwindigkeit und Belastbarkeit bestens für Lidar. Noch zeigen automobile Anwender aber Skepsis zur GaN-Zuverlässigkeit über lange Produktlebenszyklen. Eine neue Testmethode für GaN-Lidar zeigt klare Ergebnisse.

Lidar (Light Detection and Ranging) ist eine vielseitige lichtbasierte Sensorik, die in den vergangenen Jahren zum Standard in vielen Fahrzeugen avanciert ist [1]. Die Technik hilft insbesondere beim automatisierten Fahren die Umgebung wahrzunehmen und über die Analyse reflektierter Wellenmuster Abstände zu erkennen und zu messen.

Formen von Lidar

Zwei Formen von Lidar dominieren heute den Markt: direkte Time-of-Flight (DToF)- und indirekte Time-of-Flight (IToF)-Messung. DToF-Lidar sendet einzelne Pulse und arbeitet mit deren Reflexion, um die Entfernung zum Ziel zu berechnen. IToF-Lidar vergleicht die Phase der gesendeten und reflektierten Pulsfolgen (Bild 1) und verzeichnet seit geraumer Zeit ein enormes Wachstum, da sich mit vereinfachten Empfängermodulen die Kosten reduzieren. Lidar-Systeme mit großer Reichweite (Bild 1, oben) verwenden die direkte ToF-Messung (DToF). Diese misst die Zeit, die ein Lichtpuls benötigt, um nach der Reflexion von einem entfernten Objekt zur Quelle zurückzukehren. Systeme mit geringerer Reichweite basieren meist auf der indirekten ToF-Messung (IToF), bei der die Phasendifferenz zwischen den gesendeten und reflektierten Pulsfolgen zur Entfernungsberechnung verwendet wird (Bild 1, unten). In diesem Beitrag werden beide Ansätze zur 3D-Bildgebung diskutiert und Aussagen getroffen, wo die jeweilige Technik ihre Position im autonomen Fahrzeug der Zukunft finden wird.

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Bild 1. Die direkte Time-of-Flight-Messung (DToF) wird bei langen Distanzen eingesetzt, Systeme mit geringerer Reichweite basieren meist auf der indirekten ToF-Messung (IToF).

Direct Time of Flight (DToF)

Das Konzept der direkten ToF-Messung ist einfach zu verstehen. Ein Laserpuls wird ausgesendet und das reflektierte Licht bei der Rückkehr erfasst. Die Entfernung, die das Licht zurückgelegt hat, lässt sich berechnen, indem man die benötigte Zeit durch den Faktor zwei dividiert und mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert.

Bild 2 verdeutlicht den Einfluss der Pulsbreite von DToF-Lidar auf die Auflösung und damit die Erkennungsqualität. Durch schmale Pulse (obere Abbildung) lassen sich Reflexionen leicht unterscheiden. Breitere Pulse dagegen (unten dargestellt) können sich überlappen, was die Unterscheidung erschwert und die Bildauflösung verringert.

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Bild 2. Einfluss der DToF-Lidar-Pulsbreite auf die Auflösung.

Je mehr Photonen emittiert werden, desto weiter entfernte Objekte lassen sich erkennen. Je schmaler der Puls, desto höher die Auflösung. Frühe Lidar-Systeme, wie sie 1969 zur Landung einer Person auf dem Mond verwendet wurden, verwendeten einen einzelnen Lichtpuls und maßen dessen Rückkehr, um die Entfernung zu einem großen Objekt zu erfassen. Im Jahr 2004 wurde von Velodyne [2] ein Lidar-System entwickelt, um eine 3D-Punktwolke zu erzeugen, mit der ein autonomes Fahrzeug im Rahmen eines DARPA-Wettbewerbs durch die kalifornische Wüste geführt wurde. Dieses Lidar-System verwendete eine rotierende Scheibe mit Lasern und Empfängern, die häufig Pulse erzeugte (Bild 3). Das Ergebnis war ein 3D-Bild, welches von einem Computer leicht interpretiert werden konnte.

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Bild 3. Frühes Lidar-System mit rotierender Optik.

Später entstanden auf Basis von halbleiterbasierten Scan-Techniken Varianten dieser Architektur, einschließlich mikromechanischer Systeme (MEMS), die winzige Spiegel zur Steuerung des Laserstrahls enthielten. Bild 4 zeigt beide Arten.
Eine ausreichend große Anzahl von Photonen innerhalb eines sehr schmalen Pulses zu erzeugen kann schwierig sein. Für diese Aufgabe werden vorwiegend seitlich emittierende Laser auf GaN-Basis sowie Transistoren und ICs auf GaN-Basis verwendet, da die­se die Anforderungen an sehr hohe Geschwindigkeit und hohe Strombelastbarkeit [3] erfüllen. Bild 5 zeigt ein entsprechendes Oszillogramm, welches einen 135-A-Puls mit einer Pulsbreite von nur 2,51 ns zeigt, der durch den referenzierten GaN-Transistor mit einer Größe von nur 7 mm² erzeugt wird.

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Bild 4. Lidar-Systeme mit Scanning-Betrieb und rotierendem Laser.

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Bild 5. Lidar-Systeme mit Scanning-Betrieb und rotierendem Laser.

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Bild 5. DToF-Lidar-Systeme erfordern einen sehr hohen Pulsstrom mit einer kurzen Pulsbreite. Der neueste Stand der Technik ist zurzeit dieser 135-A-Puls mit einer Pulsbreite von 2,51 ns.

Indirekte Time of Flight (IToF)

Der Großteil des Wachstums bei Lidar-Systemen liegt im mittleren Entfernungsbereich zwischen ein und zehn Metern, diese Distanz spielt für Roboter, UAVs und andere autonome Fahrzeuge eine wichtige Rolle. Die IToF-Systeme reichen von Einzelpunkt-Entfernungsmesssystemen bis hin zu Megapixel-ToF-Kameras. Der Trend geht zu Mehrpunkt- und Bildgebungssystemen. Sie sind in der Lage, ein sehr breites Sichtfeld innerhalb eines Erfassungszyklus abzudecken und verbessern damit die Erkennung und Zuverlässigkeit. Weniger Zyklen führen gegebenenfalls zu gleichen oder sogar besseren Ergebnissen. Diese Art IToF-Systeme benötigt eine Lichtquelle, welche die gesamte Szene auf einmal beleuchten kann, wofür sich oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laser) ideal eignen. Einzelne VCSELs sind sehr klein, aber da sie von der Chipoberfläche aus emittieren, lassen sich viele VCSELs auf einem einzigen Chip integrieren, um die Lichtleistung zu erhöhen (Bild 6).

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Bild 6. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (a), die einen Querschnitt eines VCSEL-Arrays zeigt, und (b) Draufsicht auf das VCSEL-Array.

Für kleine, tragbare Systeme liegt der Pulsstrombedarf zwischen 2 und 10 A. Im Burst-Modus kann die Pulsfrequenz zwischen einigen MHz und jenseits
100 MHz liegen. IToF-Systeme erfassen den Unterschied in der Phase der aus­gehenden Pulsfolge zu den eingehenden Pulsen (Bild 7).

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Bild 7. IToF-Systeme verwenden die Phasendifferenz zwischen den ausgehenden und eingehenden Pulsen, um die Entfernung zu einem Objekt zu berechnen.

Integrierte Schaltungen für diese IToF-Anwendungen werden meist auf Grundlage der kostengünstigen Bildverarbeitungstechnologie CMOS entwickelt. Ein CMOS-Bildgebungschip stellt Entfernungsinformationen für jedes Pixel bereit, wodurch sich ein gesamtes Einzelbild an Entfernungs­informationen auf einmal erfassen (Bild 8) lässt. Diese Systeme werden als „Flash-Lidar“ bezeichnet, da sie den Laser als Blitzlampe zur Beleuchtung der Szene verwenden. GaN-FETs haben sich in Designs für DToF und IToF bewährt, indem sie kostengünstig höhere Ströme und schnellere Pulse mit schärferen Flanken ermöglichen.

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Bild 8. IToF-Systeme auf CMOS-Basis ermöglichen die Entfernungsmessung für jedes Pixel mit nur einem Bild.

IToF-Systeme sind aufgrund ihres einfachen Designs und ihrer geringen Kosten ein starker Anwärter, um Kamera-/Bild- und Ultraschallsensoren in Fahrzeugen zu ersetzen. Da der Ausgang von IToF-Systemen dem Ausgang von DToF-Lidar-Systemen ähnlich ist, benötigt die Signalintegration außerdem weniger Rechenleistung und verursacht weniger Latenz.

Vorteile durch GaN

Moderne eGaN-Leistungs-FETs mit den erforderlichen Strom- und Spannungswerten weisen Anstiegs- und Abfallzeiten von weniger als 1 ns auf und erfüllen daher die Anforderungen für DToF- und IToF-Systeme. Ein einziger eGaN-FET mit 0,81 mm2 kann die IToF- und DToF-Anforderungen für ein autonomes Antriebssystem nach ADAS-Level 5 erfüllen, als Beispielreferenz dient hier der Automotive-qualifizierte EPC2203 von Efficient Power Conversion. Die Ansteuerung dieser FETs ist jedoch nicht direkt mit den Ausgängen des digitalen Subsystems kompatibel, welches die Sendepulse erzeugt – diese Ausgänge weisen eine Low-Voltage-Logik von 3,3 V oder weniger und einen geringeren Steuerstrom auf. Daher ist ein Gate-Treiber erforderlich, um das digitale Signal mit dem FET zu verbinden. Eine nicht zu unterschätzende Herausforderung: Nur sehr wenige Gate-Treiber sind in der Lage, eGaN-FETs bis 100 MHz und darüber hinaus anzusteuern, dazu schnelle Anstiegs- und Abfallzeiten beizubehalten und nur wenig Strom zu benötigen (Bild 9).

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Bild 9. GaN-Technologie ermöglicht die Integration des Gate-Treibers in den Haupt-FET. Zu sehen sind die Integrierte Schaltung (a) und das Blockdiagramm (b) eines vollständig integrierten GaN-Leistungsschalters.

Darüber hinaus erhöht der physikalische Abstand zwischen dem Gate-Treiber und dem FET die Induktivität der Gate-Schleife, was die Leistungsfähigkeit weiter verringert. Schließlich benötigt der separate Gate-Treiber noch Platz (mehr als der FET), erhöht die Kosten und verringert die Zuverlässigkeit. GaN-Technologie ermöglicht nun die Integration des Gate-Treibers in den Haupt-FET. Diese Integration verbessert die Leistungsfähigkeit, verringert die Anzahl der Bauelemente und vereint alle damit verbundenen Vorteile (Bild 10).

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Bild 10. Einzelpuls-Signalform (a) und Burst-Signalform (b). 2,5-V-Logikpegeleingang und 20-V-Versorgung mit 2-Ω-Last. Die gelbe Kurve ist der Eingang (1 V/Div); die rote Kurve ist die Drain-Spannung (5 V/Div oder 2,5 A/Div).

GaN-Zuverlässigkeit

In einer solchen GaN-basierten DToF-Lidar-Anwendung erfährt das GaN-Bauelement kurze Hochstrompulse, 1 bis 5 ns, die eine Laserdiode ansteuern, um einen schmalen optischen Puls zu erzeugen. Der Tastgrad der Pulse ist niedrig und die Pulswiederholfrequenz liegt im Bereich von 10 bis 100 kHz. Wird das Bauelement nicht gepulst, befindet es sich im Aus-Zustand mit einer definierten Drain-Vorspannung.

Dieser Spannungszustand ist für ein Leistungselektronikbauteil beispiellos. Der gleichzeitig hohe Strom und die hohe Spannung während eines Pulses werfen Bedenken hinsichtlich Hot-Carrier-Effekten auf, die zu einer Verschiebung der Schwellenspannung (UTH) oder des Durchlasswiderstands (RDS(on)) des Bauelements führen könnten. Darüber hinaus erhöht der kumulative Effekt wiederholter Hochstrompulse die Gefahr der Elektromigration, was die Lötstellen negativ beeinflussen könnte.

Die geschilderten Bedenken können mit einem neuartigen Lidar-Zuverlässigkeitstest ausgeräumt werden [4], welchen der GaN-Spezialist EPC gemeinsam mit mehreren Lidar-Kunden entwickelt hat. Die neue Testmethode ist Teil einer ganzen Reihe GaN-spezifischer Belastungstests, die weit über die herkömmlichen Zuverlässigkeitstests für MOSFETs als Teil des AEC-Q101-Standards hinausgehen.

Testmethode für GaN-Lidar

Innerhalb des neuen GaN-Lidar-Tests werden die Bauteile in einem echten Lidar-Schaltkreis mit der gleichen Anzahl an Pulsen belastet, wie sie der tatsächlichen Praxisanwendung über die gesamte Lebensdauer entsprechen. Obwohl die Einsatzprofile für Lidar in Fahrzeugen von Hersteller zu Hersteller variieren, würde ein typisches Automotive-Profil eine Lebensdauer von 15 Jahren bei zwei Stunden Betrieb pro Tag und 100 kHz Pulswiederholfrequenz erfordern. Dies entspricht insgesamt ungefähr vier Billionen Lidarpulsen. Einige Worst-Case-Szenarien erfordern eine Lebensdauer von zehn bis zwölf Billionen Pulsen. Das Testen von Bauelementen bis zum Ende ihres vollständigen Einsatzprofils zeigt direkt die Lebensdauer von eGaN-Bauelementen in einer Lidar-Anwendung.

Dieser direkte Testansatz erlaubt es, auf Parameter wie Beschleunigungsfaktor oder Aktivierungsenergie zu verzichten, da diese Parameter in Anwendungen wie Lidar keine Relevanz haben. Zudem entfällt die recht ungenaue Projektion von Lebensdauerabschätzungen standardisierter Zuverlässigkeitstests auf die einzigartigen Belastungsbedingungen bei Lidar.

Für den Testaufbau wurden zwei bewährte, AEC-konforme Bauelemente gewählt: der EPC2202 (80 V) und EPC2212 (100 V). Vier Bauelemente jedes Typs wurden jeweils gleichzeitig getestet. Während der Belastung werden an jedem Baustein kontinuierlich zwei wesentliche Parameter überwacht: (1) Spitzenpulsstrom und (2) Pulsbreite. Diese Parameter sind für die Reichweite und Auflösung des Lidar-Systems entscheidend. Bild 11 zeigt die Ergebnisse über die ersten zwölf Billionen Pulse.

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Bild 11. Langzeitstabilität über der Pulsbreite und Pulshöhe bei zwölf Billionen Lidar-Pulsen.

Weder in der Pulsbreite noch in der Pulshöhe ist eine Verschlechterung oder Drift zu beobachten. Die Daten für vier EPC2202-Bauelemente (rot) und vier EPC2212-Bauteile (blau) sind in der Darstellung überlagert. Es zeigt sich eine hervorragende Stabilität wichtiger Parameter über der Gesamtzahl der Pulse. Die kumulierte Anzahl von Pulsen entspricht der maximal zu erwartenden Automotive-Lebensdauer. Trotz der indirekten Überwachung des Zustands des eGaN-Bauelements lässt sich darauf schließen, dass keine Degradierung aufgetreten ist, die sich nachteilig auf die Leistungsfähigkeit der Schaltung auswirken könnte.

Tests mit kurzen Strompulsen von eGaN-Komponenten zeigen, dass sie in dieser Anwendung über eine maximale Automotive-Lebensdauer sehr zuverlässig sind. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt wurden kein Ausfallmodus und keine Verschlechterung der Parameter beobachtet. Weitere Tests mit einer größeren Anzahl von Bauelementen sind geplant, um die statistische Zuverlässigkeit der Ergebnisse zu verbessern.

Lidar wird mit GaN zuverlässiger

DToF- und IToF-Lidar-Systeme kommen in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz, darunter Robotik, UAVs, Sicherheitssysteme und vor allem autonome Fahrzeuge. Beide Arten von Lidar erfordern sehr schnelle Strompulse, um Laser ansteuern, die schmale Lichtpulse erzeugen. Fortschritte bei GaN-Halbleitern und die Einführung von GaN-Lidar-ICs verbessern die Leistungsfähigkeit und senken die Systemkosten erheblich. Beides ist entscheidend für den universellen Einsatz in automatisierten Fahrzeugen. Lidar erfordert extrem schnelle Hochstrompulse, die unter den benötigten Langzeitbedingungen neue Fragen hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Bauelemente aufwerfen. Erste Testergebnisse weisen darauf hin, dass GaN-Lidar-Komponenten durch die neuen und einzigartigen Betriebsbedingungen am Ende der Automotive-Laufzeiten keine nennenswerten Ausfälle oder Leistungsabfälle zu verzeichnen haben. GaN erhöht dementsprechend nicht nur die Leistungsfähigkeit von Lidar-Systemen für das automatisierte Fahren, sondern kann auch mit einer konstanten Zuverlässigkeit über deren gesamte Lebensdauer überzeugen. UH

Literatur:

[1] A. Lidow, M. de Rooij, J. Strydom, D. Reusch und J. Glaser, „GaN Transistors for Efficient Power Conversion“, 3. Ausgabe Wiley, 2019, Seiten 281-299.
[2] A. Ohnsman, „The Self-Driving Car Revolution“, Forbes, 5. September 2017.
[3] J. Glaser, „An Introduction to Lidar: A look at future developments“, IEEE Power Electronics Magazin, März 2017.
[4] A. Pozo, S. Zhang, R. Garcia, J. Glaser, Z. Tang, R. Strittmatter, „EPC eGaN FETs Reliability Testing: Phase 11“, März 2020, https://epc-co.com/epc/DesignSupport/eGaNFETReliability/ReliabilityReportPhase11.aspx

Autoren:

EPC GaN Rechenzentren
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Dr. Alex Lidow ist CEO und Mitgründer von EPC, davor war er CEO bei International Rectifier. Lidow ist Miterfinder des HEXFET-Leistungs-MOSFETs und hält zahlreiche Patente. Seinen Physik-Bachelor machte er am California Institute of Technology, seine Promotion folgte an der Stanford University.

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John Glaser Ph.D. hat Elektrotechnik an der Universität von Arizona studiert und dort auch seinen Doktor gemacht. Nach vielen Jahren in der Wissenschaft und als Projektleiter in der Power-Entwicklung bei GE leitet er heute die Anwendungsentwicklung bei EPC.

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