Interview mit Alex Lidow, EPC »Moore’s Law lebt!«

GaN macht Multi-Level/Switched-Capacitor-Wandler möglich

Professor Robert Pilawa war einer der Finalisten bei der Google Little Box Challenge. Er realisierte einen Zwei-Kilowatt-Solarumrichter mit einer Leistungsdichte von mindestens drei Kilowatt pro Liter basierend auf einer Multi-Level/Flying-Capacitor-Topologie.

Ich beobachte, dass eine Menge von Multi-Level/Switched-Capacitor-Wandler entwickelt werden, die ersten sind sogar schon in Produktion. Ich denke, dies wird in der Zukunft vor allem für GaN ein wichtiger Punkt, denn Multi-Level-Wandler benötigen nur Niederspannungskomponenten. Das bedeutet, dass höhere Sperrspannungen ein Nachteil sind, denn drei Niederspannungsbauteile in Serie haben immer noch einen niedrigeren Durchlasswiderstand als ein Hochspannungsbauteil – ganz zu schweigen von dem großen Vorteil der höheren Schaltperformance und der Leistungsdichte.

Aber diese Art von Wandlern ist komplexer zu regeln und zu treiben. 

Stimmt, aber mit Galliumnitrid lässt sich alles auf einem Chip integrieren, mit Silizium nicht. Man hat die Multi-Level-Wandler mit Silizium bislang kaum verwendet, weil es letztlich mehr Transistoren bedeutet. Aus meiner Sicht sind solche Topologien für Wandler bis 100 Watt sehr interessant. Bei Leistungen darüber sind wohl eher traditionelle LLC-Wandler mit 600-V-Bauteilen die bessere Lösung. 

Ein Problem ist die Streuinduktivität zwischen dem Zwischenkreiskondensator und dem Schalter – insbesondere bei steigenden Schaltfrequenzen. Sehen Sie eine Lösung für diese Herausforderung? 

Das ist wirklich ein Problem, und es beginnt bei Schaltfrequenzen im Bereich einiger Megahertz. Denken Sie an eine typische Halbbrückenkonfiguration mit einem Zwischenkreiskondensator und einer Induktivität zwischen den beiden Schaltern.

Wir arbeiten daran, einen kleinen Zwischenkreiskondensator in den Chip zu integrieren. Dieser muss nicht die volle Kapazität bereitstellen, aber es muss groß genug sein, um die anfängliche Stromspitze abzupuffern, die beim Laden der parasitären Kapazitäten des Transistors auftritt. Den Rest, also das Aufmagnetisieren der Induktivität, übernimmt dann der große externe Zwischenkreiskondensator. Dadurch beeinflusst die Streuinduktivität das Schaltverhalten nicht so stark. Durch Integrieren von immer mehr Leistungskomponenten in den Chip lassen sich viele der Probleme mit der Streuinduktivität der »heißen« Masche beseitigen. 

Wir haben bereits Multi-Level-Topologie als einen Trend angesprochen. Haben Sie sonst noch etwas Interessantes gesehen? 

Ja, Luftkernmotoren. Nur wenige Menschen haben diese bislang gesehen. Ich schon, und es ist wirklich erstaunlich. Denken Sie für einen Moment über traditionelle Antriebe nach. Sie sind schwer, haben Permanent- magnete, um sehr effizient zu sein, und sie arbeiten mit 20 Kilohertz oder weniger. Daher brauchen sie sehr große Wicklungen. 

Aber sie brauchen noch irgendwie Eisen, oder?

Nein! Nehmen Sie alles Eisen raus! Diese Antriebe sind sehr leicht und winzig, haben aber eine sehr hohe Drehmomentdichte. Sie können bei einem Megahertz laufen, sodass die Systeme sehr klein sind, aber das gleiche Drehmoment haben wie große eisenbasierte Motoren. Wir stehen dort erst am Anfang, aber ich habe Erstaunliches gesehen. 

Leute wie Navitas, Dialog Semi und das Fraunhofer IAF integrieren mehr Schaltungen auf ihren GaN-Bausteinen, wie Treiber, Schutzbeschaltung oder Halbbrücken. Planen Sie ebenfalls, mehr als nur den Schalter integrieren? 

Haben wir bereits! Vor zwei Jahren inte­grierten wir zwei Schalter monolithisch als Halbbrücke. Dadurch haben wir viel gelernt, und das Bauteil war sehr erfolgreich, denn wir konnten die Streuinduktivität der heißen Masche halbieren. Dadurch reduzierten sich die Schaltverluste um mehr als die Hälfte. Das war ein großer Ansporn für uns.

Seitdem haben wir mehrere ICs entwickelt, viele davon für Wireless Power. Diese enthalten eine synchrone Bootstrap-Schaltung und derartige Dinge. Wir konnten den Wirkungsgrad drastisch verbessern und die Kosten senken. Vor kurzem haben wir auch ein IC für Envelope Tracking gemacht. Wir ersetzen zwei Bauteile durch nur ein gleich großes. Es enthält eine Halbbrücke sowie die Buskondensatoren. Und wieder einmal bekamen wir Feedback über die Integrationsfähigkeit von Galliumnitrid, denn in Silizium lassen sich zwei Bauteile nicht so einfach integrieren.

Dann kam Velodyne zu uns und wollte die Kosten von Lidar-Systemen drastisch senken. Dafür mussten wir viele Funktionen integrieren und die Performance enorm steigern, sodass wir die Anzahl der Laserkanäle und vieles andere reduzieren konnten. Also haben wir ein IC für sie entworfen. Wir haben es im Dezember 2016 freigegeben. Velodyne erregte damit eine Menge Aufsehen, denn sie nannten es einen Durchbruch, um Lidar kostengünstig zu machen.

Wir zielen auf bestimmte Anwendungen – ich nenne es spezifische »Gewehrschüsse« –, um zu zeigen, welche Möglichkeiten diese Technologie bietet: Envelope Tracking, Wireless Power und Lidar. Wir haben auch ein sehr leistungsstarkes DC/DC-Wandler-IC für Raumfahrtanwendungen für ein US-amerkanisches Luft- und Raumfahrtunternehmen gemacht. Mit diesen hochwertigen Anwendungen erzielen wir hohe Umsätze. 

Haben Sie auch Mehrzweckprodukte für verschiedene Märkte in der Entwicklung?

Na klar. Wir werden einige Multi-Market-ICs mit integrierten Treiber und FETs im September oder Oktober vorstellen und Halbbrücken mit Treibern und Level-Shiftern Anfang 2018. Aber der erste Test für uns waren die sehr spezifischen Kunden in ausgewählten Nischen mit sehr hochwertigen, sehr leistungsstarken Anwendungen. Denn dies testet deine Kompetenzen und man kommt auch schnell rein. Im Bereich Multimarket bewerten die Kunden zunächst vielleicht zwei Jahre lang verschiedene Produkte, aber Velodyne ist in der Produktion, ebenso die Envelope-Tracking-Leute, und jenes Unternehmen nimmt unsere ICs sogar mit in den Weltraum. 

EPCs GaN-Chips sind so winzig und die Schaltgeschwindigkeit so hoch, dass es nicht trivial ist, mit ihnen korrekt zu arbeiten. Wie helfen Sie Ihren Kunden in dieser Hinsicht? 

Es gibt mehrere Antworten auf diese Frage. Als wir mit den ersten Produkten herauskamen, wurde uns sofort klar, dass wir viel Arbeit vor uns hätten, unseren Kunden dabei zu helfen, die Performance von Galliumnitrid zu nutzen.

Ich benutze folgende Analogie: Sie sind gewohnt, einen normalen VW Käfer zu fahren, bekommen plötzlich aber einen Ferrari und Ihnen würde gesagt, Sie müssten stets mit Vollgas fahren. Sie würden sich sofort damit umbringen! (lacht) Leistungselektroniker sind MOSFETs mit höchstens ein paar hundert Kilohertz gewöhnt, aber jetzt fahren sie mit ihren Anwendungen im Megahertzbereich! Und sie verstehen nicht, was das für sie bedeutet.

Im ersten Schritt mussten wir ihnen De­sign­kits zur Verfügung stellen, bei denen alles für sie getan worden ist – es einfach nur per Cut and Paste in ihr Board einfügen, fertig. Für jeden Baustein, den wir präsentieren, können unsere Kunden gleichzeitig ein entsprechendes Designkit einschließlich aller Gerber-Dateien kaufen.

Im zweiten Schritt bieten wir Trainings­material und Lehrbücher an. Unsere Lehrbücher werden an Universitäten weltweit eingesetzt. Studenten sind sehr aggressiv. Sie müssen keine schlechten Gewohnheiten ablegen, sondern können gleich gute Gewohnheiten gewinnen. Wir sehen Hunderte von Absolventen, solche mit Promotion oder mit einem Masterabschluss, deren Abschlussarbeit in der Verwendung von GaN in Hochleistungsschaltungen bestand. Dadurch wächst Jahr für Jahr eine gut ausgebildete Basis von Ingenieuren heran. Großartig!

Aber der dritte und letzte Schritt besteht darin, dass wir all die schwierigen Bestandteile integrieren müssen. (lacht) Wir müssen es Entwicklern leicht machen, GaN zu benutzen. Auf Schaltungsebene können wir das.

Wir haben das für die zuvor genannten Kunden gemacht, und wir werden es auch für unsere Multimarket-Kunden tun. Aber es ist wie bei einem neuen Paar Schuhe, sie müssen eingelaufen werden; und GaN ist für Ingenieure, die noch nie damit gearbeitet haben, schwer zu verwenden. Und deswegen müssen wir mit allen großen Auftragsfertigern wie Foxconn und Jabil arbeiten und sie trainieren, wie man mit GaN arbeitet, und danach haben wir eine Schar von Tier-2-Auftragsfertigern geschult, die sich auf schnelles Prototyping verstehen. Dadurch haben wir jetzt viele Unternehmen, die wir unseren Kunden empfehlen können, um ein Produkt gleich aufs erste Mal gut hinzubekommen.

Es war bis dato ein langer Weg, und wir sind sicherlich noch nicht am Ende angekommen. Aber wenn immer mehr dieser gut ausgebildeten Ingenieuren nach draußen in die Unternehmen strömen, wird auch unsere Arbeit immer einfacher. Und je mehr ICs wir herausbringen, umso einfacher wird es. 

Herr Lidow, vielen Dank für Ihre Zeit.

Das Interview führte Ralf Higgelke