VisIC Technologies GaN-Halbbrückenmodul mit 1200 V

Vom Schalter zum Modul

VisIC baut zurzeit ausschließlich Schalter mit einer Nennspannung von 650 V aus den eingangs erwähnten Gründen. Mittels zweier solcher 650-V-Schalter in Serie ein echtes 1200-V-Halbbrückenmodul zu bauen, klingt zunächst verlockend einfach, ist jedoch nicht trivial (Bild 3). Denn jeder Einzelschalter im Modul wiederum besteht aus zwei in Serie liegenden GaN-Chips, sodass zwischen HV+ und HV- vier Schalter in Serie liegen. Der Low-Side-GaN-Chip ist – wie oben besprochen – jeweils über eine statische Kaskode selbstsperrend. Da der High-Side-Schalter stets dem Low-Side-Schalter folgt, müsste der High-Side-Schalter nicht selbstsperrend sein. Daher ließe sich dafür auch ein einfacher selbstleitender GaN-Chip einsetzen, während der Low-Side-Schalter gemeinsam mit dem p-Kanal-Mosfet die selbstsperrende Struktur realisiert. Somit liegen zweimal RON-Werte von 18 mΩ in Serie plus dem Einschaltwiderstand des p-Kanal-MOSFETs mit 4 mΩ, sodass sich in der Summe ein 1200-V-Schalter mit 40 mΩ ergibt.

Die Grundfunktion der 1200-V-Halbbrücke ist schnell erklärt (Bild 3): Die Ansteuerung des jeweiligen Low-Side-Schalters V22 mit der Enable- und UVLO-Schaltung erfolgt wieder floatend wie bei einem Einzelschalter. D1 und D3 sind je zwei TVS-Dioden in Serie, deren Durchbruchspannung den Spannungsabfall zwischen den Gate-Anschlüssen G1 und G2 bzw. G3 und G4 aufteilt. C1 und C2 bilden hierzu eine kleine Kapazität, die sicherstellt, dass für den jeweiligen High-Side-Schalter immer genug Gate-Ladung für ein sauberes Umschalten zur Verfügung steht. Schließlich begrenzen D2 und D4 die Gate-Source-Spannungen von G1 bzw. G3 auf ungefährliche Werte.

Diese Kaskodenschaltung stellt im statischen wie auch im dynamischen Betrieb sicher, dass keine Einzelspannung über einem GaN-Chip gefährliche Werte erreicht. Auch bei ungleichmäßiger Erwärmung von High-Side- und Low-Side-Schalter symmetrieren sich die Sperrspannungen selbsttätig durch den negativen Temperaturkoeffizienten des Reststroms.

Bild 4 zeigt das Layout des Halbbrückenmoduls und den konsequent induktivitätsarmen Aufbau. Auch der Ort für die HF-Abblockkondensatoren neben dem Modul ist zu den Terminals der GaN-Schalter optimiert geroutet. Wie sich das auswirkt, sieht man an den Kurvenformen während des Betriebs dieser Halbbrücke (Bild 5). Gemessen wurde an einem synchronen DC-DC-Wandler, der mit 100 kHz eine Eingangsspannung von 800 V auf 400 V herabsetzt.

Da diese Halbbrückenmodule Galliumnitrid-Schalter haben, sind im Vergleich zu SiC-basierten Modulen die Schaltenergien niedriger und die Schaltzeiten kürzer. Deswegen eignen sich diese Module für höhere Schaltfrequenzen. Ohne genaue Untersuchungen und spezifische Wettbewerbs­vergleiche kann man grob überschlagen, dass sich die maximal sinnvolle Schaltfrequenz verdoppelt. Weiterhin reduzieren die um den Faktor drei bis zehn kleineren Eingangskapazitäten die erforderliche Treiberleistung für ein solches Modul, wenn man mit hohen Frequenzen arbeiten will. Tabelle 1 gibt einen groben Vergleich zwischen Halbbrückenmodulen auf SiC-MOSFET-Basis und dem GaN-Halbbrückenmodul VM40HB120D von VisiC.

ParameterVisICCompetitor 1Competitor 2Competitor 3Competitor 4
VDS,max1200 V1200 V1200 V1200 V1200 V
RDS(on) (typ.)40 mΩ35 mΩ23 mΩ25 mΩ45 mΩ
ID bei +25 °C80 A80 A50 A87 A45 A
tr10 ns20 ns10 ns30 nsNA
tf4 ns40 ns12 ns19 nsNA
COSS70 pF500 pF235 pF393 pF137 pF
CISS800 pF8000 pF3950 pF2810 pF3700 pF
QG67 nC360 nC125 nC180 nC189 nC
Rth,JC0,13 K/W0,25 K/W0,8 K/W0,34 K/W0,87 K/W
Lstray20 nH25 nH9 nH30 nHNA

 

Tabelle 1: Grober Vergleich zwischen Halbbrückenmodulen auf SiC-Mosfet-Basis und dem GaN-Modul VM40HB120D von VisiC.

Verlustleistung erwärmt jedes Bauteil, und das Wärmemanagement muss dafür sorgen, dass die Chiptemperatur einen bestimmten Wert nicht überschreitet, damit Zuverlässigkeit und Lebensdauer den Anforderungen der Applikation entsprechen. Ein wichtiger Parameter ist hierbei Rth(JC) , der thermische Widerstand zwischen Sperrschicht und Gehäuseoberfläche. Wie bei den Einzelschaltern von VisIC ist auch im Modul der GaN-Chip auf ein Substrat aus Aluminiumnitrit (AlN) aufgebracht, das die Verlustwärme recht effizient auf die Kupferbodenplatte des Moduls ableitet – und das mit einer Isolationsspannung von 2,5 kV.

Vergleicht man den Rth(JC) der Module (Tabelle 1), so ist dieser beim VisIC-Modul mindestens um dem Faktor zwei (oder deutlich mehr) niedriger. Somit addieren sich die Einflüsse aus den geringeren Verlusten im GaN-Modul und dem deutlich geringeren Wärmewiderstand beim GaN-Modul im Vergleich zu den SiC-Modulen. Diese beiden Aspekte geben dem Anwender sehr viel mehr Freiheitsgrade, sein System auszulegen.

Fazit

Gegenüber mehreren Anbietern von 1200-V-Halbbrückenmodulen mit SiC-Mosfets bietet VisIC ein solches Modul mit GaN-Schaltern. Die spezifischen Vorzüge von GaN gegenüber SiC sind niedrigere Kapazitäten und Schaltenergien sowie kürzere Schaltzeiten. Dadurch sind solche Module und Schalter prinzipiell für höhere Schaltfrequenzen geeignet.

Zu den besseren dynamischen Eigenschaften kommt noch ein sehr viel geringerer thermischer Widerstand zwischen GaN-Chip und Gehäuse hinzu, was den Abtransport von Verlustwärme erheblich vereinfacht und darüber hinaus mit einer Isolationsfestigkeit von 2,5 kV zwischen Chip und Gehäuse einhergeht. Besonders hartschaltende Topologien am 800-V-Bus (zum Beispiel Umrichterschaltungen in B6-Topologie oder dreiphasige PFC-Schaltungen) dürften ebenso von diesen neuen GaN-Modulen profitieren wie auch DC-DC-Wandler.(rh)

Referenzen 

[1] Bernd Ilchmann, Das Ansteuern der 650-V-GaN-Schalter von VisIC, Finepower, 2018

[2] Datenblatt des 1200-V-HB-Module VM40HB120D

[3] Evaluation Board 1200V GaN Half Bridge Module for VM40HB120D

[4] Ralf Higgelke, VisIC Technologies kooperiert mit TSMC: Erstes GaN-auf-Silizium-Powermodul schafft 1200 V/50 A, elektroniknet 08.02.2018