Nachlese APEC 2016 GaN und Magnetics im Brennpunkt

Die APEC 2016 fand vom 20. bis 24. März in Long Beach (Kalifornien) statt. Über 5200 Leistungselektroniker aus aller Welt waren dabei.
Die APEC 2016 fand vom 20. bis 24. März in Long Beach (Kalifornien) statt. Über 5200 Leistungselektroniker aus aller Welt waren dabei.

Vom 20. bis zum 24. März 2016 fand in Long Beach, Kalifornien, die »Applied Power Electronics Conference«, kurz APEC, statt. Meist drehte es sich um Galliumnitrid. In diesem Zusammenhang betonten viele Redner aber immer wieder, dass die Magnetbauteile aufholen müssten. Eine Zusammenfassung.

Mehr als 5200 Teilnehmer, über eintausend mehr als zuletzt, informierten sich auf der APEC 2016 über die neuesten Trends in der Leistungselektronik. Von 1212 eingereichten Papers hat das Komitee 563 angenommen. In 20 Industry Sessions gab es insgesamt 119 Präsentationen. Besonders große Aufmerksamkeit schenkten die Organisatoren natürlich den Wide-Bandgap-Materialien (WBG) wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), wobei es gefühlt zu 80 Prozent um GaN ging.

Bei der Frage, wie groß der Marktanteil von SiC und GaN in Zukunft werde, gab es zwei grundsätzlich verschiedene Ansichten. Während die eine Fraktion das Ende von Silizium in der Leistungshalbleiterei prophezeite, waren viele erfahrene Fachleute weniger forsch. So glauben sowohl Tim McDonald, Head of "Global GaN Epitaxy Technology Development" bei Infineon, als auch Alex Lidow, CEO des GaN-Halbleiterunternehmens EPC, dass diese Materialien mit Silizium koexistieren werden. Von dem heute noch quasi ausschließlich mit Silizium abgedeckten Markt würden die Herausforderer sich zwar eine gute Scheibe herunterschneiden, vor allem aber neuartige Anwendungen erst ermöglichen. Darunter fallen beispielsweise das Envelope-Tracking im Mobilfunk und das "Lidar" für Fahrerassistenzsysteme sowie zukünftig autonomes Fahren. Dies begründen beide damit, der Umsatz mit Bipolartransistoren sei heute noch etwa genauso groß wie 1984, als MOSFET sich am Markt zu etablierten begann (Bild 1). Das Marktwachstum in der Leistungselektronik seither gehe damit aufs Konto der MOSFETs. Ähnlich sehe er es bei GaN und SiC: Das zukünftige Marktwachstum würden daher diese beiden Materialien verantworten.

Erster Konferenztag

Im ersten halbtägigen Professional Education Seminar zum Thema GaN am Sonntagvormittag stellte Alex Lidow klar, wo er im Moment der größte Handlungsbedarf sieht: Die Magnetbauteile seien in einem DC/DC-Wandler mit GaN-Schaltern für etwa 48 % der Verluste verantwortlich (Bild 2), wobei sich die Eisen- und die Kupferverluste in etwa die Waage hielten. Er forderte daher die Hersteller von Kernmaterialien auf, sowohl die Materialien selbst als auch deren Formgebung zu verbessern. Und durch den Skin-Effekt stiegen die Kupferverluste bei steigenden Schaltfrequenzen. Dem stellte er die außerordentliche Erfolgsbilanz von Galliumnitrid gegenüber: Gerade einmal drei Bausteine seien nach 15 Milliarden Betriebsstunden echte bauteilbedingte Ausfälle (Bild 3), sodass die Ausfallrate 0,2 FIT betrage.

Am Nachmittag präsentierten mehrere Forscher der Universität von Tennessee ihre Ergebnisse im Hinblick auf die Charakterisierung von Wide-Bandgap-Bausteinen. Sie kamen zu dem Resultat, dass die Datenblätter nicht immer alle interessierenden Parameter enthalten und teilweise sehr ungenau seien, vor allem bei der Ein- und Ausschaltenergie, Eon und Eoff (Bild 4). Gerade die Anschlussbeinchen der SiC-MOSFETs standen in der Kritik, da sie die Streuinduktivität signifikant erhöhten und es so zum Nach- und Überschwingen am Gate kommen könne, zumal WBG-Halbleiter wesentlich schneller schalten als ihre Vettern aus Silizium (hohes du/dt oder di/dt) und die Gate-Kapazität wesentlich geringer ist als bei Silizium. Die Forscher aus Tennessee berichteten auch, wie sich der Einschaltwiderstand RDS(on) von GaN-Schaltern verschiedener Hersteller über die Sperrschichttemperatur TJ verhalte (Bild 5).