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Integrierter 650-V-GaN-FET für Automotive-Anwendungen

06. September 2021, 08:00 Uhr   |  Ralf Higgelke

Integrierter 650-V-GaN-FET für Automotive-Anwendungen
© Texas Instruments, WEKA Fachmedien

Mit dem LMG3525R030-Q1 hat Texas Instruments seinen ersten Automotive-qualifizierten GaN-FET (650 V/30 mΩ) mit integriertem Treiber, Schutzfunktionen und aktivem Power-Management vorgestellt. Für Industrieanwendungen eignet sich der LMG3425R030 mit 600 V/30 mΩ.

Durch die Elektrifizierung der Kraftfahrzeuge beginnt sich die Automobilindustrie zu wandeln, zumal die Konsumenten zunehmend Fahrzeuge mit kürzeren Ladezeiten und einem größeren Aktionsradius nachfragen. Die Entwickler stehen somit vor der Aufgabe, kompakte und leichtgewichtige Automotive-Systeme zu realisieren, ohne die Leistungsfähigkeit der Automobile zu schmälern.

Die Verwendung der neuen Automotive-GaN-FETs von Texas Instruments (TI) wie dem LMG3525R030-Q1 kann dazu beitragen, die Abmessungen der On-Bord-Ladegeräte und Gleichspannungswandler von Elektrofahrzeugen gegenüber bestehenden Si- oder SiC-Lösungen um bis zu 50 Prozent zu reduzieren, sodass die Entwickler mehr Reichweite pro Batterieladung, eine erhöhte Systemzuverlässigkeit und niedrigere Designkosten erzielen können.

In Industriedesigns ermöglichen die neuen Bauelemente wie der LMG3425R030 ein hohes Maß an Effizienz und Leistungsdichte für Netzstromversorgungen, bei denen es auf niedrige Verluste und eine geringere Leiterplattenfläche ankommt. Dies ist etwa bei Hyperscale- und Enterprise-Computing-Plattformen und Gleichrichtern für die 5G-Mobilkommunikation der Fall. Exemplare der industrietauglichen 600-V-GaN-FETs sind umgehend lieferbar. Sie besitzen ein 12 mm × 12 mm großes QFN-Gehäuse (Quad Flat No-lead).

Texas Instruments nutzt für die mit bis zu 2,2 MHz schaltenden FETs proprietäre GaN-Werkstoffen und seine Prozesskompetenz auf einem Silizium-Substrat. Dies bietet kostenmäßige und logistische Vorteile gegenüber vergleichbaren Substratmaterialien wie etwa Siliziumkarbid (SiC). Mit diesen Prozessen hat das Unternehmen mittlerweile eine mehr als zehnjährige Investitions- und Entwicklungstätigkeit hinter sich.

»Gestützt auf mehr als 40 Millionen Stunden Bauelement-Verfügbarkeit und Tests von Leistungswandler-Applikationen mit mehr als 5 GWh, wartet die GaN-Technologie von TI mit der lebenslangen Zuverlässigkeit auf, die Ingenieure auf sämtlichen Märkten verlangen«, betont Steve Lambouses, Vice President for High Voltage Power bei TI.

Weniger Bauelemente

In dicht bestückten Anwendungen mit hohen Spannungen stellt das Minimieren der Leiterplattenfläche ein wichtiges Designkriterium dar. Im Zuge der Miniaturisierung elektronischer Systeme müssen auch die verwendeten Bauteile immer kleiner und immer dichter gepackt platziert werden. Die neuen GaN-FETs von TI enthalten einen schnell schaltenden Treiber sowie interne Schutz- und Temperatursensor-Funktionen, sodass Entwickler ein hohes Performance-Niveau erzielen und gleichzeitig die Leiterplattenfläche ihrer Power-Management-Designs verkleinern können.

Diese Integration im Verbund mit der hohen Leistungsdichte der GaN-Technologie von TI gibt Ingenieuren die Möglichkeit, auf mehr als zehn Bauelemente, die in diskreten Lösungen üblicherweise benötigt werden, zu verzichten. Hinzu kommt, dass jeder der neuen 30-mΩ-FETs in Halbbrücken-Konfigurationen eine Leistung von bis zu 4 kW unterstützt.

GaN bietet den Vorteil einer hohen Schaltgeschwindigkeit, was wiederum kleinere, leichtere und effizientere Systeme möglich macht. In der Vergangenheit musste eine hohe Schaltgeschwindigkeit stets mit hohen Verlusten erkauft werden. Um diesen Kompromiss zu umgehen, bieten die neuen GaN-FETs den verlustmindernden Ideal-Diode-Modus von TI. Bei der Leistungsfaktorkorrektur zum Beispiel senkt der Ideal-Diode-Modus die Verluste im dritten Quadranten im Vergleich zu diskreten GaN- und SiC-MOSFETs um bis zu 66 Prozent. Außerdem ermöglicht der Ideal-Diode-Modus den Verzicht auf eine adaptive Totzeitregelung, was die Komplexität der Firmware verringert und die Entwicklungszeit verkürzt. Mehr hierzu findet sich in der Applikationsschrift Maximizing the Performance of GaN with Ideal Diode Mode.

Mit seinem gegenüber dem laut Hersteller zum nächsten Konkurrenten um 23 Prozent gesenkten thermischen Widerstand gibt das Gehäuse der GaN-FETs von TI den Entwicklern die Möglichkeit, kleinere Kühlkörper zu verwenden und die thermische Auslegung zu vereinfachen. Die neuen Bauelemente bieten die Möglichkeit, zwischen einem ober- oder unterseitig gekühlten Gehäuse zu wählen. Die integrierte digitale Temperaturmeldung der FETs erlaubt ferner ein aktives Power-Management und gestattet Ingenieuren das Optimieren der thermischen Eigenschaften eines Systems unter wechselnden Last- und Betriebsbedingungen.

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