Leistungselektronik-to-go Modulare, PCB-integrierte GaN-auf-Si-Halbbrückenschaltung

Röntgenaufnahme der Halbbrückenschaltung und Schaltplan der integrierten GaN-Power-ICs

Das Fraunhofer IAF hat monolithisch integrierte GaN-Power-ICs mittels Leiterplatten-Einbettung als Halbbrückenschaltung inklusive Gate- und Zwischenkreiskondensatoren integriert. Das Ergebnis ist ein modular einsetzbarer, kompakter, effizienter und integrierter 600-V-Spannungswandler.

Durch die integrierte Funktionsfähigkeit im Chip und allen kritischen passiven Komponenten auf dem Gehäuse kann der neue Gan-Power-IC modular eingesetzt werden und soll so den Aufwand für die Entwicklung von leistungselektronischen Systemen verringern.

Warum ist das wichtig? Energieeffiziente Leistungselektronik zur Energiewandlung und -übertragung wird immer wichtiger, da zukunftsweisende und nachhaltige Energiekonzepte, wie die Elektromobilität oder die Stromversorgung durch erneuerbare Energien, auf sie angewiesen sind.

Was ist die Herausforderung?  Schon seit Jahren kommen Leistungshalbleiter mit breiter Bandlücke wie Galliumnidrid (GaN) in Spannungswandlern zum Einsatz, um den steigenden Anforderungen an die Energieversorgung und -nutzung gerecht zu werden. Es sind aber nicht nur die Halbleitermaterialien selbst entscheidend, sondern auch der Aufbau und das Design der Bauteile; denn je kompakter und effizienter der Aufbau ist, desto ressourcenschonender arbeiten sie. Mit diskreten Standardkomponenten ist ein kompakter Systemaufbau oft schwierig. Die kritischen Leiterschleifen zwischen Transistoren und der Spannungsversorgung müssen bisher aus diskreten Komponenten individuell als Schaltungen aufgebaut und verdrahtet werden.

Wie sieht die neue Entwicklung aus? Die  Forscher des Fraunhofer IAF haben Galliumnitrid-basierten integrierten Leistungsschaltungen (GaN-Power-ICs) als Halbbrücke in einer Leiterplatte eingebettet, die gleichzeitig als Gehäuse bereits die kritischen Verdrahtungen samt Gate- und Zwischenkreiskondensator bereitstellt. Das Resultat ist ein hochkompakter und effizienter Spannungswandler, der sich für alle 600-Volt Anwendungen eignen soll und einen zuverlässigen modularen Systemaufbau für beschleunigte Design- und Produktionsprozesse ermöglicht.

GaN geht auch günstig

Im Rahmen des Forschungsprojekts GaNIAL ist es den Freiburger Forschern im letzten Jahr bereits 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-auf-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 DC-DC Wirkungsgrade über 98,8% 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-Si-Technologie ermöglicht zwar monolithisch integrierte Schaltungen für Halbbrückenwandler, löst aber nicht das Verdrahtungsproblem zu externen Kondensatoren. Die kritischen Verbindungen zur Gatetreiber- und Zwischenkreisspannung sind aber essentiell für sauberes und effizientes Schaltverhalten. Zu diesem Zweck hat das Fraunhofer-Team die ICs mit einer dicken Kupfergalvanik auf beiden Seiten prozessiert, wodurch sie sich für die PCB-Einbettung eignen.

Die Anpassung der Metallisierung ermöglichte es, die Chips in der serientauglichen und zuverlässigen ET Microvia Embedding Technologie durch Würth Elektronik CBT aufzubauen. 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 Gatetreiber- und Zwischenkreisspannung bereits auf dem Gehäuse bereitstellt. Durch die Embedding-Technologie kann auf Bonddrähte verzichtet werden, was gleichzeitig die parasitären Induktivitäten minimiert. Die kritischen Verbindungen zwischen GaN-IC und den Kapazitäten sind damit bereits optimiert, und müssen nicht mehr aufwändig auf Anwenderseite entworfen werden. Die Forscher nennen das Ergebnis »eine anwenderfreundliche Lösung, die alle kritischen Komponenten eines Schaltwandlers bereits optimiert in einem Gehäuse bereitstellt«.