Galliumnitrid und Digital Power Mit Effizienz in die Zukunft

Was haben Digital Power und GaN-Halbleiterbausteine gemeinsam? Beides sind innovative Entwicklungen für hocheffiziente Applikationen, die anfangs mit viel Gegenwind zu kämpfen hatten. Eine Kombination beider Technologien könnte noch effizientere Produkte hervorbringen.

Die Applied Power Electronics Con­ference (APEC) in San Antonio, Texas, ist die weltweit größte Messe für angewandte Leistungselektronik und der Ort, an dem Forschungslabors, Universitäten, Marktanalysten und Unternehmen die neuesten Technologien – und zwar oft als Branchenerste – vorstellen, die Stromversorgungen effizienter, zuverlässiger und sicherer machen sollen.

Die diesjährige APEC im März 2018 kann definitiv als Kick-off für Wide-Bandgap-Halbleiter und insbe­sondere für Bausteine auf Galliumnitrid-Basis angesehen werden. Sie war gleichzeitig ein symbolischer Meilenstein für eine Technologie namens »Digital Power«, die 2003 als vielversprechende Ankündigung zum Vorschein kam.

So wie Digital Power seinen Weg zur Marktdurchdringung vor 15 Jahren begann, hat dieser Weg bei GaN vor fünf Jahren angefangen. Beide Technologien folgen einem ähnlichen Weg, der sich allmählich von der technischen Neu­­gier hin zum kommerziellen Produkt entwickelt. Digital Power und GaN wurden beide bei der Markteinführung kontrovers diskutiert und standen vor Herausforderungen. Eine Kombination des Besten aus beiden Technologien könnte zu wirklich herausragenden kommerziellen Produkten führen.

Von der Skepsis zum Wandel

Vor zehn Jahren stellten GaN-Pioniere das Konzept der Industrialisierung einer disruptiven Technologie vor, die eine effizientere, GaN-basierte Alternative zu Super-Junction-MOSFETs bieten sollte. Dies zog viele Meinungsäußerungen à la »Das wird nie funktionieren!« nach sich. Wie bei Digital Power war der Weg von der Garagenentwicklung hin zu kommerziellen Produkten voller Frustration, Tränen und Enttäuschungen. Trotzdem haben Beharrlichkeit und der starke Glaube an die Technologie zu einem mehr als zufriedenstellenden Entwicklungsstand geführt.

GaN-Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (High Electron Mobility Transistor, HEMT) weisen hochinteressante intrinsische Verhaltensmuster mit einer überlegenen Schaltleistung aus. Im Vergleich zu herkömmlichen MOSFETs erreichen sie ein bislang unerreichtes Leistungsniveau.

In Bezug auf die intrinsische Leistung, mit sehr niedriger Gate-Ladung, Zero Reverse Recovery und flacher Ausgangskapazität, zeichnet sich GaN durch alles aus, wovon Entwickler seit Jahrzehnten träumen, um die Systemleistung zu verbessern, die Baugröße zu verringern und den sagenhaften Wirkungsgrad von 99,99 % zu erzielen.

Ein Vorteil von GaN-Transistoren ist die Matrizengröße, die viel kleiner ist als bei herkömmlichen MOSFETs (Bild 1). Die Grafik stellt die normierte Fläche eines Chips in Abhängigkeit von der Nennspannung dar – und zwar für aktuelle Si-MOSFETs und die neueste Generation GaN-FETs.

Betrachtet man den Gütefaktor Matrizen­größe, so nimmt der Unterschied zwischen Silizium- und GaN-FETs mit wachsender Nennspannung rapide zu. Bei 200 V Nennspannung beträgt die Chipfläche des GaN-FETs 1/16 von der eines Si-MOSFETs, bei 100 V beträgt sie 1/4. Und es ist davon auszugehen, dass die Grenzen des Machbaren noch nicht erreicht sind. Dies eröffnet den Entwicklern die Möglichkeit, eine höhere Integration zu erreichen. Zukünftige Produkte werden dann mit ihrem Leistungsniveau noch mehr überzeugen. So sehr, dass man von einem echten technischen Wandel sprechen kann.

Schritt für Schritt zur Reife

Wie bei jeder neuen Technologie ist der Übergang von der Forschung zur Großserienproduktion ein langer Prozess. Meist bringt dieser Prozess neue Erkenntnisse für Elektroingenieure mit sich. Mit GaN wurde beispielsweise die Implementierung der sogenannten Zero-Voltage-Switching-Technik nötig, die sehr spezifische Treiber und neue Wege zu deren Steuerung erfordert.

Trotz der enormen Vorteile von GaN-Transistoren hat der Mangel an Treibern das Interesse von Industrie-Entwicklern jahrelang gedämpft. Vor allem in den vergangenen zwei Jahren ist jedoch die Anzahl der Halbleiterhersteller, die in GaN investieren, gestiegen. Dadurch wurde letztendlich auch die Implementierung einfacher.

Viele technische Barrieren wurden beseitigt. So wurden die Herstellungsprozesse kontinuierlich verbessert, um die Ausbeute zu verbessern und die Kosten zu reduzieren. Außerdem wurden technologiespezifische Qualitätsprozesse eingeführt. Im November 2017 gab die JEDEC-Organisation dann die Gründung des neuen Komitees JC-70 bekannt, das Standards für Wide-Bandgap-Leistungshalbleiter setzt – ein Zeichen dafür, dass die Technologie reif für die Massenimplementierung ist.

Nachdem GaN in LED- und HF-Anwendungen bereits weit verbreitet ist, beginnt nun die Marktdurchdringung bei DC/DC-Wandlern und AC/DC-Netzteilen. Es vergeht keine Woche ohne eine neue Produktankündigung, sodass ganz sicher in nächster Zeit noch viel passieren wird.

Die Anfänge von Digital Power

Heute ist Digital Power fester Bestandteil in der Ausbildung der meisten Elektroingenieure und wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Es ist wichtig, sich an die Ursprünge der digitalen Schaltungstechnik zu erinnern und an die Weiterentwicklung dieser Technologie.

Beginnend bei den frühen Forschungsarbeiten, die Mitte der 1970er-Jahre von Trey Burns, N.R. Miller und anderen durchgeführt wurden, nahm Digital Power erst allmählich seinen Platz in der Leistungselektronik ein und erreichte dann schließlich einen Reifegrad, der Entwicklern eine brauchbare Technologie an die Hand gab.

In den 1970er-Jahren, zu einer Zeit, als die Stromversorgungsbranche langsam über die Migration von Linear- zu Schaltnetzteilen nachdachte, erforschte und entwickelte Trey Burns die Anwendung des State-Trajectory Control Law in Aufwärts-DC/DC-Wandlern. Er verglich zwei Realisierungsmethoden – eine, die mit einem digitalen Prozessor arbeitete und die andere, die mit analogen Rechenschaltungen funktionierte.

Eine spannende Randnotiz ist, dass eines der Testpro­dukte von Trey Burns damals ein Boost-Wandler war, der mit einer Schaltfrequenz von 100 Hz arbeitete. Das klingt zwar langsam, aber es gab keine andere Möglichkeit, weil es bis zu 450 Mikro­sekunden pro Sample dauerte, um das digitale Programm auszuführen.

Nach mehr als 40 Jahren seit den Anfängen der Forschung und mehr als 15 Jahre seit der Vorstellung des ersten kommerziellen digitalen DC/DC-Wandlers im Jahr 2003 ist die ursprünglich für die Informations- und Kommunikationstechnik entwickelte Technik inzwischen in fast allen Bereichen der Industrie weit verbreitet.

Von der Überwachung und Steuerung von Tiefsee-Energieanlagen mit höchster Zuverlässigkeit (Bild 2) über das Bereitstellen stabiler Spannungen in kritischen medizinischen Geräten, die der hohen magnetischen Strahlung eines MRT-Systems ausgesetzt sind (Bild 3), ist die digitale Leistungselek­tronik fast überall präsent und wird nun auch in eine auf der Internationalen Raumstation ISS installierten Anlage integriert. Für alle Pioniere, die Anteil an dieser Entwicklung hatten, ist dies eine wunderbare Situation. Schön ist auch, dass die gleiche Begeisterung jetzt bei der Entwicklung von Lösungen auf Galliumnitrid-Basis vorherrscht.

Was bringt die Zukunft?

Was das Entwickeln von Netzteilen so faszinierend macht, sind die Innovationsmöglichkeiten, die es ermöglichen, das Leistungsniveau zu verbessern, die Umweltbelastung zu reduzieren und an einer nachhaltigen Gesellschaft mitzuarbeiten. Das Internet der Dinge, autonome und elektrische Fahrzeuge und viele technische Innovationen – sie alle erfordern effiziente und kompakte Stromquellen.

Parameter wie Leistungsdichten von 5000 W pro Kubikzoll und ein Wirkungsgrad von 99,99 % klingen noch unerreichbar. Aber wer hätte sich Mitte der 1970er-Jahre vorstellen können, was heute alles möglich ist – durch neue Topologien, digitale Steuerung, neue Komponenten wie GaN und natürlich eine gewisse Leidenschaft.

Der Autor

Kommentar von Patrick Le Févre: Digital Power als Game Changer

Seit ich 1982 meine Karriere als Entwickler von Stromversorgungen begann, habe ich viele technologische Veränderungen erlebt. Ich erinnere mich noch gut an die Debatten über die Risiken des Wechsels von Linear- zu Schaltnetzteilen. Ich hatte das Glück, für ein großes Telekommunikationsunternehmen zu arbeiten, das mit der Erforschung von Digital Power begann, als viele noch mehr als skeptisch waren.

Ich war glücklich, zu den Pionieren zu gehören, die neue Wege bei der Energieumwandlung und bei der Verbesserung der Effizienz erforschten. Heute verwirklicht die Kombination aus digitaler Steuerung und den beispiellosen Vorteilen von GaN einen Traum aller Entwickler von Leistungsanwendungen in der Informations- und Kommunikationstechnik. Wandler von 48 V auf 12 V, die eine Leistungsdichte von mehr als 1200 W pro Kubikzoll bei einem Wirkungsgrad von 96 % schaffen, sind inzwischen Realität. Und wir haben das Ende der GaN-Entwicklung noch nicht erreicht.