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Power-Highlights auf der electronica

Automotive-GaN-FET mit 99% Wirkungsgrad

09. November 2020, 09:15 Uhr   |  Ute Häußler

Automotive-GaN-FET mit 99% Wirkungsgrad
© Texas Instruments

Die neuen GaN-Fets sind für das Hochspannungs-Power-Management in Elektroautos und industrielle Stromversorgungen mit langen Lebenszyklen ausgelegt.

Texas Instruments stellt einen neue 600 und 650 V-GaN-FET für die Automotive-Branche und die Industrie vor. Bordladegeräte für Elektrofahrzeuge und industrielle Stromversorgungen profitieren von einer verdoppelten Leistungsdichte durch einen integrierten, schnell schaltenden 2,2-MHz-Gatetreiber.

Texas Instruments (TI) hat pünktlich zur electronica eine neue Generation von Galliumnitrid-Feldeffekttransistoren (GaN-FETs) mit Nennspannungen von 650 V und 600 V für Anwendungen im Automotive- und Industriebereich vorgestellt.

Integrierte, schnell schaltende 2,2-MHz-Gatetreiber helfen der neuen GaN-FET-Familie dabei, die Leistungsdichte zu verdoppeln, einen Wirkungsgrad von 99 % zu erzielen und den Bauraum der Leistungs-Induktivitäten gegenüber bestehenden Lösungen um 59 % zu reduzieren. TI entwickelte die neuen FETs mit seinen eigenen GaN-Werkstoffen und setzt für die Herstellung auf ein GaN-on-Silicon-Substrat, was preisliche und logistische Vorteile gegenüber etwa Siliziumkarbid (SiC) bietet.

Mehr km-Reichweite und 5G-Effizienz

Automotive-Entwickler stehen vor der Aufgabe, kompakte und leichtgewichtige Systeme zu realisieren. Die neuen Automotive-GaN-FETs sollen dazu beitragen, die Abmessungen der Bord-Ladegeräte und Gleichspannungswandler von Elektrofahrzeugen gegenüber bestehenden Si- oder SiC-Lösungen um bis zu 50 % zu reduzieren. Entwickler könne laut TI mehr Reichweite pro Batterieladung, eine erhöhte Systemzuverlässigkeit und niedrigere Designkosten erzielen. In Industrie-Designs ermöglichen die neuen Bauelemente ein hohes Maß an Effizienz und Leistungsdichte für Netzstromversorgungen, bei denen es auf niedrige Verluste und eine geringere Leiterplattenfläche ankommt, wie etwa bei Hyperscale- und Enterprise-Computing-Plattformen und Gleichrichtern für die 5G-Mobilkommunikation.

Texas Instruments kombiniert die interne Produktion von GaN-on-Si-Bauelementen und Gehäuse mit einer optimierten Si-Treibertechnologie, um die verbesserte GaN-Technik zu implementieren. Der Halbleiter-Hersteller setzt dabei auf mehr Leistung bei geringerem Platzbedarf und mit zahlreichen Test auf eine hohe Zuverlässigkeit über die gesamte (lange) Lebensdauer von Hochvolt-Systemen im Automotive- und Industriebereich.

Weniger Bauelemente, doppelte Leistungsdichte

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 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 gibt Ingenieuren die Möglichkeit, auf mehr als 10 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.

Weniger Verluste, simplere Firmware

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. Bei der Leistungsfaktor-Korrektur zum Beispiel senkt der Ideal-Diode-Modus die Verluste im dritten Quadranten im Vergleich zu diskreten GaN- und SiC-MOSFETs um bis zu 66 %. Außerdem ermöglicht der Ideal-Diode-Modus den Verzicht auf eine adaptive Totzeitregelung, was die Komplexität der Firmware verringert und die Entwicklungszeit verkürzt.

Hohe thermische Leistungsfähigkeit

Mit seinem gegenüber dem nächsten Konkurrenten um 23 % gesenkten thermischen Widerstand gibt das Gehäuse der GaN-FETs Entwicklern die Möglichkeit, kleinere Kühlkörper zu verwenden und die thermische Auslegung zu vereinfachen. Die neuen Bauelemente zeichnen sich unabhängig von der Anwendung durch ein Maximum an thermischer Designflexibilität aus und 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.

Die neuen Leistungsmodule sind in einem 12 mm x 12 mm großes QFN-Gehäuse (Quad Flat No-lead) für eine Integration auf geringem Bauraum ausgelegt.

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