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Galliumnitrid-HEMTs

GaN im Einsatz

28. Februar 2017, 11:52 Uhr | Ralf Higgelke

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Roadmap zu Chips und Gehäusen

Einen HEMT eins zu eins anstelle eines MOSFETs in eine vorhandene Schaltung einzubauen ist allerdings nicht sinnvoll, weil er dabei seine Vorzüge nicht ausspielen kann. HEMTs sollten eine eigens für sie entwickelte Schaltung erhalten, welche die höhere Schaltgeschwindigkeit, die geringere Verlustleistung und auch andere Unterschiede bei den »inneren Werten« berücksichtigen. So enthält ein HEMT anders als Siliziumtransistoren keine langsame Body-Diode und benötigt daher keine externen Freilaufdioden (Bild 4). Auch dies macht Schaltungen mit GaN-Leistungshalbleitern schneller. Ein aktuell lieferbarer GaN-HEMT hat Einschaltzeiten von gerade einmal 3,5 ns.

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Wirkungsgrade und Leistungsdichten für Stromversorgungen mit GaN-Leistungshalbleitern liegen deutlich über denen optimierter Siliziumlösungen. Dabei muss das schnellere Schalten nicht zu erhöhten Funkstörungen führen. Mit dem Ziel, solche Störungen zu minimieren, gibt es bei Transphorm HEMTs jeweils in unterschiedlichen Bauformen mit Source oder Drain an der Kühlfahne, um an dieser auch in Brücken- und Gegentaktschaltungen stets ein stabiles Potenzial ohne schnelle Spannungswechsel zu haben.

Abgesehen von SMD-Gehäusen sind die HEMTs aktuell auch in TO-220- und TO-247-Gehäusen lieferbar, die sich besser an Kühlkörper schrauben lassen. So ist gegenwärtig mit dem »TPH3207« ein Spitzenstrom bis 220 A möglich bei 650 V Sperrspannung, 41 mΩ Durchgangswiderstand (R_DS(on)) und einer Q_rr von 175 nC bei voller Einhaltung der JEDEC-Qualifikationen. Dabei wird es natürlich nicht bleiben: 2017 will das Unternehmen weniger als 30 mΩ im TO-247-Gehäuse erreichen, in SMD- und TO-220-Gehäuse weniger als 50 mΩ und damit bis zu 2,5 kW Leistung in der Applikation. 2018 sollen höhere Sperrspannungen von 900 V und 1200 V sowie nativ selbstsperrende HEMTs folgen. Dies übrigens nicht, um höhere Geschwindigkeiten gegenüber der Kaskode aus HEMT und MOSFET zu erreichen, sondern um die Chipfläche und Bauteileanzahl und damit die Kosten zu reduzieren und die Zuverlässigkeit zu erhöhen.

Schaltfrequenzen von 40 MHz und mehr in Schaltnetzteilen, wie mit selbstsperrenden HEMTs ohne Kaskode erreichbar, werden nach Ansicht von Transphorm auf absehbare Zeit noch nicht Realität, da dies nicht nur bei den Halbleitern, sondern auch bei den passiven Bauelementen entsprechend kürzere Verdrahtungswege und damit kompaktere Bauteile erfordert. Für die hohen Leistungsdichten bei solch hohen Frequenzen geeignete Ferrite und Keramiken stehen gegenwärtig noch nicht zur Verfügung. Zudem können höhere Frequenzen gar nicht überall genutzt werden, beispielsweise bei PFC-Schaltungen.

Für die aktuell möglichen Topologien ist die HEMT/MOSFET-Kaskode allerdings mehr als ausreichend, ebenso wie die bewährten, bedrahteten Gehäuseformen TO-220 und TO-247. Nichtsdestotrotz sind für 2017 neben dem bereits existierenden HEMTs im PQFN-Gehäuse weitere SMD-Bauformen geplant, wie SO-8/SO-16, TO-263 (D²PAK), TO-268 (D³PAK). Später sollen komplette IPM-Module folgen, beispielsweise Halbbrücken. Ebenfalls interessant sind Vier-Quadranten-HEMT-Schalter, die bislang übliche, weit komplexere Topologien ersetzen können. Die etwas höheren Preise für GaN-Halbleiter schrecken zwar noch manchen Entwickler von deren Anwendung ab. Marktforscher gehen jedoch davon aus, dass ein 15-A-GaN-HEMT bald preislich mit seinem Siliziumpendant gleichziehen kann und schon jetzt durch die technischen Vorteile punktet.