Fraunhofer IAF GaN-auf-Si-Halbbrücke für 600 V in Platine integriert

Leiterplattenintegrierte GaN-auf-Si-Halbbrückenschaltung inklusive Gate- und Zwischenkreiskondensatoren
Leiterplattenintegrierte GaN-auf-Si-Halbbrückenschaltung inklusive Gate- und Zwischenkreiskondensatoren

Forscher des Fraunhofer IAF haben ihre monolithisch integrierten GaN-Power-ICs mittels Leiterplatten-Embedding als Halbbrückenschaltung inklusive Anschlüsse für Gate-Treiber- und Zwischenkreiskondensatoren integriert. Diese lässt sich modular für viele leistungselektronische Schaltungen einsetzen.

Energieeffiziente Leistungselektronik wird immer wichtiger, denn zukunftsweisende und nachhaltige Energiekonzepte, wie die Elektromobilität oder die Energieversorgung durch erneuerbare Energien, sind auf sie angewiesen. Schon seit langem kommen dort Leistungshalbleiter zum Einsatz. Aber nicht allein die Halbleitermaterialien sind entscheidend, sondern auch der Aufbau und das Design der Bauteile. Denn je kompakter und effizienter der Aufbau ist, desto ressourcenschonender arbeiten sie. Mit den diskreten Standardkomponenten, die den Markt für Galliumnitrid-Bauteile (GaN) aktuell dominieren, ist ein kompakter Systemaufbau aber oft schwierig. Die kritischen Leiterschleifen zwischen Transistoren und der Spannungsversorgung müssen bisher aus diskreten Komponenten individuell als Schaltungen aufgebaut und verdrahtet werden.

Als anwenderfreundliche Alternative haben die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF ihre GaN-basierten integrierten Leistungsschaltungen (GaN Power ICs) als Halbbrücke in einer Leiterplatte eingebettet. Als Gehäuse stellt diese gleichzeitig die kritischen Verdrahtungen samt Gate- und Zwischenkreiskondensator bereit. Das Resultat ist ein hochkompakter und effizienter Spannungswandler, der sich für ganz unterschiedliche 600-V-Anwendungen eignet und einen zuverlässigen modularen Systemaufbau ermöglichen soll. Dadurch ließen sich die Design- und Produktionsprozesse deutlich erleichtern.

Monolithische integrierte GaN-Power-ICs

Das Fraunhofer IAF hat langjährige Erfahrung in der monolithischen Integration leistungselektronischer GaN-Chiptechnologien. Im Rahmen des Forschungsprojekts GaNIAL ist es den Freiburger Forschern im letzten Jahr gelungen, Strom- und Temperatursensorik, Leistungstransistoren der 600-V-Klasse, intrinsische Freilaufdioden und Gate-Treiber in einem einzigen GaN-Power-IC monolithisch zu integrieren. Das Halbleitermaterial Galliumnitrid wurde dabei auf preiswertes Siliziumsubstrat abgeschieden (GaN on Si), wodurch sich die Chiptechnologie auch für einen kostengünstigen Einsatz in Massenanwendungen und in der Industrie eignet.

Durch die hohe Integrationsdichte ermöglicht der GaN-Power-IC des Fraunhofer IAF nicht nur eine höhere Schaltfrequenz und damit eine höhere Leistungsdichte als vergleichbare Schaltungen, sondern auch eine erhöhte Zuverlässigkeit und Kompaktheit durch die integrierte Sensorik. Mit den GaN-Power-ICs in einer Halbbrückenschaltung haben die Forscher bereits Wirkungsgrade für DC-DC-Wandler über 98,8 Prozent bei 350 V erreicht, sowie eine hohe Schaltfrequenz von 40 MHz im Dauerbetrieb bei 250 V und resonantem Betrieb nachgewiesen.

Hochintegrierte Halbbrückenschaltung durch PCB-Embedding

»Die GaN-auf-Silizium-Technologie ermöglicht zwar monolithisch integrierte Schaltungen für Halbbrückenwandler, löst aber nicht das Verdrahtungsproblem zu externen Kondensatoren«, erläutert Stefan Mönch, Wissenschaftler am Fraunhofer IAF. Er ergänzt: »Diese kritischen Verbindungen zum Gate-Treiber und zur Zwischenkreisspannung sind aber essenziell für sauberes und effizientes Schaltverhalten. Um unserem Ziel eines optimalen Spannungswandlers näherzukommen, mussten wir im nächsten Schritt die perfekte hochintegrierte Aufbautechnik für unsere GaN-Power-ICs finden.« Zu diesem Zweck haben sie ihre ICs mit einer dicken Kupfergalvanik auf beiden Seiten prozessiert, wodurch sie sich für die Einbettung in eine Leiterplatte eignen.

Durch diese Anpassung der Metallisierung ließen sich die Chips in der serientauglichen Embedding-Technologie ET Microvia von Würth Elektronik CBT aufbauen. So konnten die Forscher zusammen mit den Projektpartnern Bosch und der Universität Stuttgart ein nur 12 mm breites und 0,4 mm flaches Leiterplattengehäuse entwerfen, das zwei monolithische GaN-Power-ICs als Halbbrücke integriert und die kritischen Entkopplungskapazitäten für die Gate-Treiber und die Zwischenkreisspannung bereits auf dem Gehäuse bereitstellt.

Durch die Embedding-Technologie kann man auf Bonddrähte verzichten, was gleichzeitig die parasitären Induktivitäten minimiert. Die kritischen Verbindungen zwischen GaN-IC und den Kapazitäten sind damit bereits optimiert, und müssen nicht mehr aufwendig vom Anwender entworfen werden. Das Ergebnis ist eine anwenderfreundliche Lösung, die alle kritischen Komponenten eines Schaltwandlers bereits optimiert in einem Gehäuse bereitstellt.

Das Fraunhofer IAF stellt seine neuste GaN-Leistungselektronik auf der PCIM Europe vor. Der GaN-Power-IC des Fraunhofer IAF ist auch Teil eines Vortrags von Dominik Koch (Universität Stuttgart).