Drahtlos komfortabler laden GaN-HEMTs in Class-E-Leistungsverstärkern

Hohe Anfoderungen an Halbleiterbausteine  lassen sich mit GaN-HEMTs erreichen.

Höherer Wirkungsgrad, kürzere Ladezeit und höhere Leistungsdichte – diese Anforderungen stellen Kunden an Halbleiterbausteine für drahtlose Ladesysteme. Mit GaN-HEMTs lässt sich dies in Class-E-Hochfrequenz-Leistungsverstärkern erreichen.

Systeme auf Basis von GaN-Leistungshalbleitern, beispielsweise Class-E-HF-Leistungsverstärker bieten diverse Vorteile bei der Realisierung drahtloser Ladesysteme. Dies ist deswegen von Interesse, weil die Class-E-Verstärkertopologie neben der Class-D-Verstärkertopologie von der Air Fuel Alliance für die drahtlose Energieübertragung gemäß Basisspezifikation vorgeschlagen wurde.

Bis heute basieren die meisten drahtlosen Ladesysteme auf induktiver Kopplung (Qi) und arbeiten mit Frequenzen zwischen 100 und 300 kHz. Dieses Konzept wird zwar am häufigsten genutzt, erlaubt jedoch nur die Aufladung eines einzelnen Geräts, das zudem sehr nahe zum Ladegerät und in einer bestimmten Anordnung dazu angeordnet sein muss.

Alternative Technologien werden verstärkt untersucht, beispielsweise Class-D- und Class-E-Resonanzverstärker, da diese durch Resonanzkopplung flexiblere Konstruktionen für die drahtlose Leistungsübertragung ermöglichen. Wie erwähnt, sind solche Topologien nicht neu und werden bereits erfolgreich in HF-Anwendungen eingesetzt, die allgemein als Verstärker bezeichnet werden. Mit diesen Topologien lassen sich hohe Wirkungsgrade bei Betriebsfrequenzen von 1 bis 10 MHz erreichen. Diese Leistungsverstärker werden im Sendeteil eines drahtlosen Energieübertragungssystems wie in Bild 1 eingesetzt.

Bei der drahtlosen Aufladung mit resonanter Kopplung im von der Air Fuel Alliance vorgeschlagenen Frequenzband bei 6,78 MHz wird aufgrund der resonanten induktiven Kopplung mit hohem Q-Faktor der Resonatoren eine Energieübertragung über wesentlich größere Distanzen mit deutlich schwächerem Magnetfeld in der Peripherie möglich. Resonatoren erlauben daher eine Nahfeldaufladung nach dem Prinzip »Drop and Go« und haben in punkto Benutzererlebnis deutliche Vorteile gegenüber induktiven Lösungen.

Nach dem Faraday‘schen Gesetz wird in einer Drahtspule eine elektrische Spannung erzeugt, wenn sich der Magnetfluss durch diese Spule ändert. Bei der drahtlosen Leistungsübertragung erregt ein HF-Leistungsverstärker eine Sendeeinheit (PTU), bestehend aus einer Spule in einem abgestimmten Schwingkreis, um ein veränderliches Magnetfeld zu erzeugen.

Eine auf die gleiche Frequenz abgestimmte Spule in einem Schwingkreis befindet sich auch in der Empfangseinheit (PRU) in dem betreffenden Magnetfeld, sodass eine Spannung induziert wird. Diese Spannung hängt von der Schnelligkeit der Änderung des Magnetfelds und der Anzahl der Wicklungen ab. Die von der Empfängerspule gelieferte Energie wird gleichgerichtet und in eine Spannung umgewandelt, wie sie das aufzuladende portable Gerät benötigt.

Die Kopplung hängt vom Abstand der beiden Spulen ab und wird durch den Kopplungsfaktor k definiert. Bei einem Kopplungsfaktor k von unter 0,5 handelt es sich um ein lose gekoppeltes System wie bei der Kopplung mit magnetischem Resonator. Bild 1 zeigt die Blockschaltung des Systems mit PTU und PRU, wobei Mikrocontroller mit Bluetooth-Datenübertragung zur Anforderung und Regelung der Energiemenge für die aufzuladenden Geräte verwendet werden.

Warum sollten nun für Leistungsanwendungen GaN-Materialien verwendet werden, beispielsweise zur drahtlosen Aufladung? Die relativ neue GaN-Technologie hat ihre Vorteile in HF-Systemen bereits bewiesen. Da inzwischen deutliche Verbesserungen der Gütezahlen erreicht wurden, wird GaN für viele Leistungsanwendungen interessant.

Bild 2 zeigt die Verbesserungen der GaN-Technologie im Vergleich zu den auf Silizium basierenden Standardlösungen verschiedener Anbieter. Durch die logarithmische Skala lässt sich der Quantensprung besser erkennen, den die GaN-Technologie ermöglicht. Alle Leistungskennzahlen liegen bei Lösungen auf Silizium-Basis um fast eine Größenordnung höher.

Was zeichnet die CoolGaN-HEMTs von Infineon aus

Das anhaltende Wachstum der Weltbevölkerung und die Beschleunigung der sozialen Entwicklung führen zu einer immer höheren Nachfrage nach Elektronik. Die steigende Umweltbelastung hingegen macht es erforderlich, mit weniger Energie mehr zu erreichen. Seit Jahren suchen Ingenieure nach Möglichkeiten, das Schaltkreis-Design mit vorhandenen Siliziumhalbleitern zu verbessern und erreichen immer wieder höhere Wirkungsgrade durch neues Design. Zwar konnten in der Vergangenheit auf diese Weise Fortschritte erzielt werden, doch die Technik ist inzwischen annähernd ausgereizt, sodass nach anderen Möglichkeiten gesucht wird, um den Wirkungsgrad zu erhöhen.

Seit dem Aufkommen der Halbleiterelektronik war Silizium das bevorzugte Material für Leistungssysteme, jetzt allerdings kommt mit SiC und GaN eine neue Generation von Materialien mit großer Bandlücke auf den Markt, die signifikante Möglichkeiten für Leistungssysteme eröffnet. Diese Technologien sind der Schlüssel für den nächsten großen Schritt auf dem Weg zu einer energieeffizienteren Welt, da sie zu einem höheren Wirkungsgrad, geringeren Abmessungen, geringerem Gewicht sowie niedrigeren Kosten führen.

Gegenüber aktuellen Silizium-Leistungshalbleitern ist die Durchbruchfeldstärke der CoolGaN-Enhancement-Mode-HEMTs (E-Mode) von Infineon zehnmal höher und die Elektronenmobilität doppelt so hoch. Sowohl die Ausgangsladung als auch die Gate-Ladung sind zehnmal niedriger als bei Silizium und die Umkehr-Erholungsladung ist fast Null, was insbesondere für den Hochfrequenzbetrieb wichtig ist. GaN ist eine bestens geeignete Technologie für Halbleiterschalter sowie resonante Topologien und ermöglicht neue Konzepte bei der Strommodulation.

Die GaN-Lösungen von Infineon basieren auf einem besonders robusten und leistungsfähigen Konzept – dem E-Mode-Konzept mit hoher Ein- und Abschaltgeschwindigkeit. CoolGaN-Produkte adressieren mit ihrer hohen Leistungsfähigkeit und Robustheit diverse Systeme und Anwendungen wir Server, Telekommunikations-anwendungen, drahtlose Ladegeräte, Netzteile sowie Audiosysteme.

GaN-Bauelemente sind von Natur aus Normally-On-Bausteine, da der 2DEG-Kanal im GaN/AlGaN-Hetero-Übergangs sofort verfügbar ist. In der Leistungselektronik sind jedoch Normally-Off-Bausteine in zahlreichen Anwendungen gewünscht. Es gibt zwei Möglichkeiten, dieses Ziel zu erreichen: Die sogenannte Kaskodenschaltung oder die Realisierung eines echten monolithischen Enhancement-Mode-Bausteins. Infineon konzentriert sich mit seinen 400- und 600-V-CoolGaN-Bausteinen auf das E-Mode-GaN-Konzept.

Die geringeren Schaltverluste durch GaN ermöglichen kleinere und leichtere Designs. Ein Halbleiterbaustein im SMD-Gehäuse ermöglicht einerseits einen kompakten und modularen Aufbau, andererseits werden kleinere Kühlkörper und weniger Komponenten benötigt. Außerdem kann sich durch den Wechsel zu höheren Schaltfrequenzen bei bestimmten Anwendungen die Größe der gegebenenfalls benötigten passiven Bauteile reduzieren. Auf Systemebene ermöglicht die höhere Leistungsdichte von GaN-basierten Netzteilen eine höhere installierte Rechenleistung bei gleichen Abmessungen.

Um eine exakte Prognose der Lebensdauer zu erleichtern, hat Infineon einen hochkomplizierten, aber präzisen Qualifizierungsplan entwickelt, der vier Schlüsselbereiche berücksichtigt: das erwartete Profil, die Leistungsanforderungen der Anwendung, die während der Produktentwicklung gesammelten Zuverlässigkeitsdaten sowie Alterungsmodelle. Während des Qualitätsmanagement-Prozesses für CoolGaN wird nicht nur der Halbleiterbaustein getestet, sondern auch dessen Verhalten in der Anwendung. Die Leistungsfähigkeit von CoolGaN liegt über der Leistung anderer GaN-Produkte auf dem Markt. CoolGaN-Bausteine haben eine voraussichtliche Lebensdauer von mehr als 15 Jahren bei einer Ausfallrate unter 1 FIT.

Anforderungen von Class-E-Leistungsverstärker

Der Single-Ended-Class-E-HF-Leistungsverstärker besteht aus einer HF-Induktivität L1, die einen nahezu reinen Gleichstrom für den als Schalter benutzten FET Q1, den Schwingkreis und die Last liefert (Bild. 3). Q1 schaltet bei 6,78 MHz mit einer festen Einschaltrate von 50 Prozent.

Wenn der Schwingkreis auf die gleiche Frequenz abgestimmt ist, liegt am Drain eine Sinushalbwellenspannung mit einem maximalen Spitzenwert beim 3,56-fachen der Eingangsgleichspannung UIN an, die unmittelbar vor dem Beginn des nächsten Schaltzyklus auf Null fällt, die also mit Zero Voltage Switching (ZVS) arbeitet. Dazu muss die Lastimpedanz eine rein ohm‘sche Last sein. Zwischen dem Leistungsverstärker und dem Senderresonator ist eine Impedanzschaltung vorgesehen, die alle reaktiven Elemente unterdrücken soll.

Die Werte für L2, C1 und C2 werden unter Berücksichtigung der Resonanzfrequenzen der beiden Schaltzustände bestimmt. Wenn der Schalter gesperrt ist, liegt C1 parallel zur Kapazität zwischen Drain und Source von Q1 und beeinflusst so die obere Resonanzfrequenz. Für die untere Resonanzfrequenz spielen nur L2 und C2 eine Rolle. Für die spannungslose Umschaltung muss die Schaltfrequenz zwischen der oberen und der unteren Resonanzfrequenz liegen, und die Summe der Perioden eines Halbzyklus jeder Resonanzfrequenz muss etwa der Periode der Schaltfrequenz entsprechen.