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Platzbedarf und Verluste reduzieren

Ehrgeizige Pläne für die GaN-Produktfamilie

19. Oktober 2021, 14:44 Uhr | Von Ina Franjic, Salvatore La Mantia, Ales Loidl, Jiri Smutka, Jan Svetlik und Ester Spitale, STMicroelectronics

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Innovative SiC-Gehäuse

Von einer Vielzahl von Faktoren hängt die Auswahl des richtigen Gehäuses für SiC-Bauelemente ab. Sehr wichtig ist die Schaltleistung. Das bedeutet vor allem einen sicheren Betrieb und eine Reduzierung der Schaltverluste, die durch die Einschwinggeschwindigkeit bestimmt wird. Hier seien zwei spezielle Gehäuse für Siliziumkarbid-MOSFETs vorgestellt (Bild 5).

Das HiP247-4-Gehäuse ist ein Spezialgehäuse mit einer sehr hohen Sperrschichttemperatur von +200 °C. Zusätzlich zu den standardmäßigen Drain/Source/Gate-Pins gibt es noch einen vierten, den Source-Sensing-Pin. Dieser Kelvin-Source-Pin wird verwendet, um einen Hauptlaststrompfad vom Gate-Treiberstrom zu entkoppeln. Dies führt zu einem wesentlich besseren Schaltverhalten und damit zu einem höheren Wirkungsgrad.

Das zweite Gehäuse ist das Acepack SMIT. Dabei handelt es sich um ein gegossenes Verbundmodul mit niedriger elektrischer parasitärer Induktivität und geringem Wärme-
widerstand, das sich von einem einzelnen Schalter bis hin zu Multi-Die-Topologien im Leistungsbereich von 1 bis 50 kW einsetzen lässt – nicht nur für Siliziumkarbid-MOSFETs, sondern auch für Silizium-IGBTs, MOSFETs, Dioden und Thyristoren.

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Bild 6 zeigt den Vergleich der Ausschaltwellenformen desselben Bauelements in verschiedenen Gehäusen. Die Testbedingungen sind dieselben: 50 A/800 V und gleicher Gate-Widerstand. Es zeigt sich, dass der Baustein im Acepack SMIT eine 80 Prozent schnellere dI/dt-Transiente ermöglicht. In jedem Fall ist die Überspannungsspitze bei Acepack SMIT fast gleich oder sogar weniger stark ausgeprägt. Wie ist das möglich? Offensichtlich besteht der Vorteil des Acepack-SMIT-Gehäuses in der Realisierung sehr kompakter Kommutierungsschleifen und folglich in der Minimierung von Streuinduktivitäten. Bild 7 sind die Unterschiede im Layout und die Größe der Kommutierungsschleifen zu entnehmen. Die typischerweise bei SiC-MOSFETs begrenzte maximale Einschwingdauer manifestiert sich im Überschwingen nach dem Ausschalten. Es handelt sich dabei um den Spannungsabfall über der parasitären Induktivität in der Kommutierungsschleife, multipliziert mit dI/dt. Da das Acepack-SMIT-Layout sehr kompakt und die Streuinduktivität am Ende gering ist, ermöglicht dieses Bauelement eine höhere Schaltgeschwindigkeit und geringere Schaltverluste. Im Layout-Beispiel kann man sehen, dass sich der Keramikkondensator direkt an die Pins des Acepack SMIT anschließen lässt. Dadurch wird der gesamte Leiterbahnabstand, einschließlich der Gehäusebeine und des internen Bondings, verkürzt und folglich die Streuinduktivität reduziert. Es ist höchstwahrscheinlich unmöglich, dieselbe Vereinfachung des Layouts mit herkömmlichen Gehäusen zu erreichen. Zu diesem Vorteil des Acepack SMIT gesellen sich weitere: die einfache Montage (SMD-Gehäuse) und die Vereinfachung der Kühlkörperimplementierung dank der integrierten Isolierung.

Ehrgeizige Pläne für GaN

Basierend auf den umfangreichen Erfahrungen mit WBG-Materialien durch die Siliziumkarbid-Technologie unternimmt ST nun mit der Entwicklung von Galliumnitrid auf Siliziumsubstraten den nächsten Schritt in der Leistungsintegration. Die erworbene Mehrheitsbeteiligung an dem französischen Innovator Exagan hilft ST, seine Power-GaN-Roadmap zu beschleunigen und die steigende Nachfrage für Automobil-, Industrie- und Konsumgüter-Anwendungen zu befriedigen.

ST hat bereits die erste Familie von GaN-basierten Produkten auf den Markt gebracht, MasterGaN, und den ersten Halbbrückentreiber für GaN, STDRIVEG600. STs Plan für GaN umfasst mehrere Arten von diskreten GaN-Transistoren und eine Vielzahl von intelligenten System-in-Packages. Um Letzteres handelt es sich bei der MasterGaN-Familie; es besteht aus zwei GaN-Transistoren in Halbbrückenkonfiguration und einem speziellen Gate-Treiber. Diese bereits in der Massenproduktion befindliche Familie besteht aus fünf Mitgliedern, die verschiedene Topologien und Leistungsbereiche abdecken. Zur einfachen Skalierung werden sie alle im gleichen GQFN-9x9-Gehäuse angeboten. Konzipiert ist die MasterGaN-Familie für weiche Schalttopologien wie aktive Clamp-Flyback- und resonante LLC-Wandler. Demonstrations-Boards helfen Entwicklern für jeden MasterGaN-Baustein, um die Eigenschaften zu beurteilen.

STs PowerGaN-Familie, die auch zum STPower-Portfolio gehört, wird aus verschiedenen Unterfamilien bestehen, die jeweils spezifische Segmente adressieren und somit eine weitreichende Marktabdeckung ermöglichen. So ist das G-FET bei 650 V ein Kaskodenschalter, der von einem Standardtreiber für Si-MOSFETs angesteuert werden kann, wodurch die Einführung von GaN in bestehende Plattformen erleichtert wird, während G-HEMT eine inhärente stromlose (oder E-Mode-) FET-Serie ist, die sich für extrem hohe Frequenzen eignet und in den Spannungsklassen 100 und 650 V angeboten wird.

Als erstes Produkt der PowerGaN-Unterfamilien wird das Unternehmen ein G-HEMT im PowerFlat-5x6-HV-Gehäuse auf den Markt bringen. Dadurch wird der Leistungsbereich der GaN-basierten SMPS von ST noch erweitert. Es wird sich dabei um einen industrietauglichen Baustein handeln, aber die Technologie wird auch für Automobilanwendungen qualifiziert.