Leistungshalbleiter
GaN ist endlich da
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Das erste Produkt
Um das Potenzial der GaN-basierten Leistungsbausteine auszuschöpfen, müssen unbedingt begleitende Technologien entwickelt werden, beispielsweise High-Speed-Treiber, PWM-Controller, die mit geringem Tastverhältnis arbeiten können, sowie Gehäuse mit niedrigen parasitären Effekten. Zum Beispiel müssen wegen der Übergangszeiten (und der Totzeit) in der Größenordnung von 1 ns eine »intelligente« und schnelle Totzeitregelung für die Treiber zur Verfügung gestellt werden, um die durch den GaN-Leistungsbaustein mögliche optimale Leistung erreichen zu können.
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Der erste für die Produktion freigegebene Chip in der GaNpowIR-Technologieplattform ist eine 12-V-Abwärtsschaltregler-Leistungsstufe für 30 A mit der Bezeichnung »iP2010«. Dieses IC enthält die Ansteuerung sowie die Synchrongleichrichterschalter zusammen mit dem »intelligenten« Gate-Treiber in einem LGA-Gehäuse mit geringen parasitären Kapazitäten. Bild 2 zeigt den gemessenen Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung für dieses GaN-Produkt der ersten Generation im Vergleich zu konkurrierenden Silizium-basierten Lösungen.
GaN-basierte Leistungsbausteine bieten einen um mehr als 3% verbesserten Umwandlungswirkungsgrad gegenüber Silizium-MOSFETs. Darüber hinaus lassen sich bei einer GaN-basierten Lösung, da diese den hohen Wirkungsgrad bei 600 kHz erreicht, ausschließlich Keramikkondensatoren im Leistungswandler verwenden, was die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems steigert.
Weitergehende Verbesserungen in GaN-basierten Leistungsbausteinen mit niedriger Spannung werden zu einstufigen 5-MHz-Leistungswandlerbausteinen mit einem Wirkungsgrad zwischen 85% und 90% führen. Dadurch können ein Großteil der Forderungen nach ausgangsseitigen Filterkomponenten entfallen, die Kosten wesentlich sinken und der Wandler um mehr als einen Faktor zehn kleiner werden. Möglicherweise noch wichtiger ist, dass sich die Wandlerstufe dadurch ganz nahe bei der Last platzieren lässt. Dadurch wird ein beträchtlicher Teil der parasitären Leistungsverluste im Ausgangsfilter und in Leiterplatte/Gehäuse vermieden. Die resultierende Verbesserung der Leistungsdichte, des Wirkungsgrads und der Kosten verkörpert den wahren Wert der Entwicklung von GaN-basierten Leistungsbausteinen für Niederspannungsanwendungen.
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