Wide-Bandgap-Materialien
GaN gibt Gas
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
GaN hält Kühlmitteltemperatur stand
Anhand der verfügbaren Daten bei verschiedenen Spulenströmen und Frequenzen sowie den magnetischen Verlusten der Drossel bei den entsprechenden Frequenzen und Erregungsspannungen, die in einer separaten Anordnung gemessen wurden, lassen sich die Schaltverluste als Funktion des Stroms extrahieren (Bild 3). Dadurch lässt sich zusammen mit den thermischen Eigenschaften des Bauelements und des Kühlkörpers ein Simulationsmodell erstellen, um die Leistung zu bestimmen, einschließlich einer Aufschlüsselung der Verluste und der Sperrschichttemperatur als Funktion der Leistung und der Frequenz. Die Modellierungsergebnisse wurden mit den experimentellen Daten verglichen, wobei sich laut Transphorm nahezu identische Ergebnisse ergaben.
Bei 100 kHz bedeutet der hohe Wirkungsgrad des Bauelementes von über 99 % bis zur Volllast eine Gesamtverlustleistung von nur 28 W bei einer Ausgangsleistung von 3,4 kW. Dies führt zu einer Sperrschichttemperatur von +76 °C. Die Bauelementephysik zeigt, dass die Schaltverluste für jeden Halbleiter bei höheren Frequenzen ansteigen. Die Vorteil von GaN besteht darin, dass sich diese Verluste zu weitaus höheren Frequenzen hin zu verschieben und die Verlustleistung gleichzeitig ausreichend niedrig bleibt, um Überhitzungen zu vermeiden. Die GaN-Halbbrücke arbeitet problemlos bei 3,4 kW und 300 kHz mit einer Sperrschichttemperatur von +140 °C, die weit unter der Spezifikationsgrenze von +175 °C liegt. Im Vergleich zu herkömmlichen Si-Bauelementen bei 12 kHz bis 50 kHz, eröffnen die GaN-Transistoren große Entwurfsspielräume für Entwickler kompakter Leistungsschaltungen.
GaN hält Kühlmitteltemperatur stand
Jobangebote+ passend zum Thema
Hersteller von Elektrofahrzeugen haben ein hohes Interesse daran, alle Kühlsysteme im Fahrzeug in einem integrierten System zu vereinen, wobei die Kühlmitteltemperatur bis +105 °C betragen kann. Transphorm hat für einen derartigen Fall für jedes Bauelement den Wärmeübergangswiderstand zwischen Gehäuse und Kühlmittel mit 1,5 K/W angenommen (insgesamt 2,5 K/W zwischen Sperrschicht und Fluid). Für die Spule kommt eine Verlustleistung von 3 W und ein Kupferwiderstand von 20 mΩ hinzu, die sich bei höheren Frequenzen noch weiter verringern lassen. Für die passiven Bauelemente an Eingang und Ausgang spezifizierte man jeweils einen Serienersatzwiderstand (ESR) von 10 mΩ. Die Testergebnisse bei PWM-Frequenzen von 50 kHz, 100 kHz und 200 kHz zeigen, dass die GaN-Halbbrückenschaltung selbst unter solch strengen Bedingungen bei 50 kHz und 100 kHz eine maximale Sperrschichttemperatur TJ von +140 °C beziehungsweise +150 °C erreicht und somit weit unter dem Grenzwert von +175 °C bleibt (Bild 4). Bei 200 kHz steigt die Sperrschichttemperatur unter Volllast auf +165 °C an, was immer noch eine Reserve von 10 K lässt. Obwohl noch tatsächliche Tests zur Validierung der Leistungsfähigkeit im System erforderlich sind, erweisen sich diese Ergebnisse bereits als vielversprechend für Kühlsystemanwendungen.
Über den Autor:
Yifeng Wu ist Senior Vice President Engineering bei Transphorm.
- GaN gibt Gas
- GaN hält Kühlmitteltemperatur stand
Lesen Sie mehr zum Thema
Das könnte Sie auch interessieren
Treiber für GaN-Transistoren
Optimierte Performance
Marktstudie von Yole Développement
Die GaN-Halbleiterindustrie ist Fast & Furious
Leistungselektronik-Konferenz EPE 2016
Dr. Peter Friedrichs hält Keynote
Interview mit Alex Lidow, CEO von EPC
»Ich hasse Gehäuse!«
Interview mit Dan Kinzer
»Silizium sollte sich warm anziehen«
Nachlese APEC 2016
GaN und Magnetics im Brennpunkt
GaN Systems kooperiert mit TSMC
Massenproduktion von GaN-on-Si-Transistoren angelaufen
Diamant-basierte Halbleiter
Akhan liefert erste kommerzielle Produkte Anfang 2016 aus
Leistungselektronik
Höherer Wirkungsgrad dank Galliumnitrid
SEMICON Europa 2015
»Silizium bleibt das Arbeitspferd der Leistungselektronik«
Erweitertes Partnerschaftsprogramm
Das imec will die Grenzen von »GaN on Si« verschieben
Aluminiumnitrid
US-Regierung fördert neues Halbleitermaterial
Aus neuartigen Technologien sind einsetzbare…
Um SiC und GaN wächst ein leistungsstarkes Ökosystem
Hy-Line Power Components
GaN-Schalter von transphorm ab Lager lieferbar
Infineon und Panasonic
Dual-Sourcing für selbstsperrende 600-V-GaN-Bausteine
Wide-Band-Gap-Materialien im Elektroauto
Toyota testet Alltagstauglichkeit von SiC-Leistungshalbleitern
Gartner Power-IC-Prognose 2015
GaN wird erst in fünf Jahren wirklich marktrevant
Alternative zu GaN und SiC
Wird Galliumoxid das nächste Material für Leistungshalbleiter?
Neue Materialien GaN
Galliumnitrid - Vom Konzept zur Realität
GaN-Leistungshalbleiter
ON Semiconductor und Transphorm verbrüdern sich
Wide-Bandgap-Halbleiter
GaN-on-Si ist zuverlässig
Nachlese PCIM Europe
GaN-on-Silicon klebt SiC an den Fersen
PCIM 2014
Leistungselektronik für Automotive - wertvoll wie nie
