Neuartige Galliumnitrid-Bausteine

GaNz einfach wie Silizium

2. August 2022, 8:30 Uhr | Prof. Florin Udrea, CTO von Cambridge GaN Devices
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Aktuell verfügbare GaN-Technologien haben ihre Schwachstellen. Diese werden im folgenden Beitrag diskutiert und eine neue GaN-Technologie vorgestellt, die diese Schwachstellen beseitigt. Diese neuartigen Bausteine sollen sich so einfach nutzen lassen wie Silizium-MOSFETs.

Aktuell gibt es drei gängige Ansätze für selbstsperrende Galliumnitrid-Transistoren auf dem Markt: Kaskoden, Transistoren mit diskretem p-GaN-Gate und den monolithischen Ansatz, bei dem der Gate-Treiber vollständig integriert ist. Gehen wir zunächst auf die Schwachpunkte der Variante mit diskretem p-GaN-Gate und den monolithischen Ansatz ein.

Bei GaN-Bauteilen vom Anreicherungstyp (Enhancement Mode) liegt die Schwellenspannung Uth bei etwa 1,2 V für Varianten mit ohmschem p-GaN-Gate und bei 1,7 V für p-GaN-Gate mit Schottky-Kontakt. Damit solche HEMTs (High Electron-Mobility Transistor) während hoher du/dt-Transienten nicht unbeabsichtigt wieder einschalten (Parasitic Turn-on), sind negative Abschaltspannungen erforderlich. Außerdem darf die Gate-Spannung bei solchen Bauteilen nicht über 7 V kommen, da der Gate-Strom sonst exponentiell ansteigt.

Ist der Treiber vollständig integriert, lassen sich diese parasitären Effekte verringern. Allerdings beraubt dies den Anwender der Flexibilität, kostengünstige, leistungsstarke Treiber auf Siliziumbasis oder Gate-Treiber mit integrierten leistungsstarken Controllern zu verwenden. Außerdem kann der monolithisch integrierte Gate-Treiber aufgrund der thermischen Kopplung auf dem Chip zusätzliche Verluste durch die Selbsterhitzung des Leistungstransistors verursachen. Des Weiteren lässt sich ein voll integriertes Produkt nur schwer auf höhere Leistungsniveaus skalieren.

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Auf der PCIM Europe hat Cambridge GaN Devices (CGD) neuartige GaN-Transistoren vorgestellt, die sich genauso einfach und robust ansteuern lassen wie Silizium-MOSFETs. Darüber sprachen wir mit Dr. Giorgia Longobardi, CEO und Mitgründerin von CGD.

Die genannten Schwachstellen – die niedrige Schwellenspannung und die niedrige maximal zulässige Gate-Spannung – gibt es bei Kaskoden nicht. Die Schwellenspannung liegt bei 2,3 bis 3,5 V und der Spannungsbereich des Gate geht bis zu 20 V. Dies liegt an dem Silizium-MOSFET, der in Reihe mit einem selbstleitenden HEMT vom Verarmungstyp (Depletion Mode) geschaltet ist. Allerdings ist dieser Ansatz mit einem Multi-Chip-Gehäuse und somit mit zusätzlichen Kosten verbunden. Außerdem ist die Ausgangsladung bei einer Kaskode höher als bei einem einzelnen HEMT vom Verarmungstyp. Darüber hinaus kann man bei einer Kaskode nicht behaupten, keinerlei Rückwärtserholverluste mehr zu haben – einer der Hauptvorteile von lateralen GaN-HEMTs gegenüber Superjunction-MOSFETs aus Silizium.

Cambridge GaN Devices, ICeGaN
Bild 1: Übertragungskennlinie eines Standard-pGaN-HEMT (schwarz) im Vergleich zu einem ICeGaN-Bauelement (petrol), das eine höhere Schwellenspannung U(th) und ein breiteres Betriebsfenster für das Gate aufweist.
© Cambridge GaN Devices

Bestehende Schwachstellen überwinden

Im Gegensatz dazu weisen die ICeGaN-Bauelemente von Gambridge GaN Devices (CGD) eine Schwellenspannung von etwa 3 V auf, um unerwünschte Einschaltvorgänge im Zusammenhang mit hohem du/dt zu unterdrücken. Darüber hinaus lassen sich diese Bauelemente mit Gate-Spannungen von bis zu 20 V betreiben, ohne Abstriche bei der Transkonduktanz oder der dynamischen Leistungsfähigkeit der Bauelemente hinnehmen zu müssen (Bild 1). Auch haben ICeGaN-Bausteine keine Rückwärtserholverluste und eine sehr geringe Ausgangsladung, wie es für selbstsperrende GaN-HEMTs vom Anreicherungstyp typisch ist. In Bild 2 ist ein ICeGaN-Chip zu sehen; Bild 3 zeigt dessen Blockschaltbild mit Haupt-HEMT, Sense-HEMT, der Sensing-Last und ein Schaltbild der smarten Schnittstelle.

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Bild 2: Mikroskopaufnahme eines IceGaN-Power-Bausteins. Das konische Design der Source/Drain-Metallisierung teilt den Strom optimal auf.
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Ein wichtiges Merkmal der ICeGaN-Bauelemente ist die monolithisch integrierte Miller Clamp. Diese erfüllt einen doppelten Zweck; zum einen gewährleistet sie, dass der Haupt-HEMT auch bei schnellen Schaltvorgängen oder externen Transienten ausgeschaltet bleibt, zum anderen sorgt sie dafür, dass der Haupt-HEMT schnell abschaltet, wenn die Clamp eingeschaltet ist.

Beim Einschalten und im eingeschalteten Zustand absorbiert ein Hilfs-HEMT (Auxiliary HEMT in Bild 2) einen bestimmten Teil der externen Gate-Spannung und schützt so den Haupt-HEMT vor zu hohen Gate-Spannungen. Zusätzlich hängt der von ihm absorbierte Betrag von der Temperatur ab, um die Zuverlässigkeit des p-GaN-Gate des Haupt-HEMT weiter zu verbessern. Bekanntlich ist das Gate bei sehr niedrigen Temperaturen (z. B. −40 °C) anfälliger für zu hohe Spannungen, weswegen die maximale Spannung, die an ein Gate des HEMT angelegt werden darf, bei niedrigeren Temperaturen sinken muss.

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Bild 3: Blockdiagramm der monolithisch integrierten ICeGaN-Schaltung
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Bei herkömmlichen Schaltungen ist dies nicht möglich, da die am Gate des HEMT angelegte Spannung nicht in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur geregelt wird. Im Gegensatz dazu ist bei ICeGaN-Bauelementen der Hilfs-Gate-Transistor so konfiguriert, dass er bei niedrigeren Temperaturen mehr Spannung aufnimmt und so die maximale Spannung am internen Gate auf einen niedrigeren Wert (unter 5,5 V) begrenzt. Dadurch steigt die Zuverlässigkeit des Bauelements spürbar.

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Bild 4: Ansteuerung eines ICeGaN-Bauelements, oben als Low-Side-Transistor; in dessen Abschaltpfad sind die Schottky-Diode und ein Widerstand optional und gestatten beim Ausschalten eine höhere Anstiegsrate als beim Einschalten. Unten Halbbrückenansteuerung mit einer Bootstrap-Schaltung für die High-Side-Versorgung des Gate-Treibers.
© Cambridge GaN Devices

Anders als konventionelle p-GaN-HEMTs mit Schottky- oder ohmschem Gate-Kontakt benötigen ICeGaN-Bauelemente keine zusätzlichen Zenerdioden, um die Steuerspannung des Gate zu begrenzen, und keine negativen Gate-Spannungen, um das Bauelement abzuschalten. Auch Ferritperlen sind nicht erforderlich, was die Kosten senken kann. ICeGaN-Bauelemente lässt sich einfach ansteuern, wie in Bild 4 für einen einzelnen Low-Side-Schalter (links) und für eine Halbbrücke (rechts) dargestellt ist.

Eine ESD-Schutzbeschaltung ist monolithisch in die smarte Schnittstelle integriert. Diese basiert auf einem ladungsempfindlichen HEMT, der jegliche überschüssige Energie absorbiert, wenn ein externer Pin des ICeGaN-Bauelements einem ESD-Ereignis ausgesetzt ist.

Vorteile der integrierten Strommessung

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Bild 5: Während bei der herkömmlichen Strommessung der gesamte Transistorstrom durch den Shunt-Widerstand RCS fließt (links), erzeugt die integrierte Strommessfunktion bei IceGaN das Signal für die Rückkopplung (rechts).
© Cambridge GaN Devices

Bei zahlreichen leistungselektronischen Schaltungen ist es notwendig, den Strom durch den Schalttransistor fortlaufend zu messen, um dem Steuerchip die erforderlichen Eingangsdaten bereitzustellen. Bei herkömmlichen Silizium-MOSFETs und GaN-Transistoren wird dazu ein Messwiderstand (Shunt) in Reihe zum Transistor geschaltet (Bild 5a). Über diesen Widerstand fällt eine Spannung von typischerweise bis zu 1 V ab; dieses Signal geht in den Regelkreis ein.

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Bild 6: Vergleich der typischen Verluste in Watt über den Drain-Strom, die bei der Strommessung in einer herkömmlichen Schaltung und bei Verwendung des Ansatzes von Cambridge GaN Devices entstehen. Bei dieser werden die Verluste nahezu eliminiert (logarithmische Y-Achse).
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Bei ICeGaN-Bauelementen ist die Strommessung monolithisch auf dem Chip integriert, sodass ein Serienwiderstand überflüssig ist (Bild 5b). Dies überwindet alle drei großen Nachteile der herkömmlichen Konfiguration. Bei herkömmlichen Ansätzen fließt der gesamte zu erfassende Strom durch den zusätzlichen Widerstand. Dies verursacht zusätzliche Verluste und reduziert den Systemwirkungsgrad. Die Variante von CGD reduziert als ersten Punkt diese Verluste auf einen Bruchteil (Bild 6).

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Bild 7: Während bei der konventionellen Strommessung ein Shunt-Widerstand zwischen Masse und Transistor liegt und damit die Wärmeabfuhr vom Transistor zur kühlenden Massefläche behindert (links), lässt sich durch die integrierte Strommessung über einen Sense-HEMT in ICeGaN-Bauelementen der Haupt-HEMT thermisch mit der großen Massefläche verbinden, um die Wärme bestmöglich zu verteilen und abzuleiten (unten).
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Außerdem liegt der Source-Anschluss des ICeGaN-Bauelements auf dem elektrischen Massepotenzial der Schaltung und nicht auf dem des Stromsensors. Hierdurch lässt sich das zweite Problem der konventionellen Strommessung lösen, nämlich das zusätzliche elektrische Rauschen und die Kopplung, die durch den Spannungsunterschied zwischen dem Source-Anschluss des Transistors und Masse entstehen. Da die elektromagnetische Verträglichkeit eine äußerst wichtige Eigenschaft eines Stromversorgungssystems ist, die sich nur schwer verbessern lässt, bietet dies einen entscheidenden Vorteil auf Systemebene und kann die Entwicklungszeit mit ICeGaN-Bauelementen verkürzen.

Die dritte Herausforderung, die die Strommessung in ICeGaN-Bauelementen meistert, betrifft die Wärmeabfuhr. Wie bereits erwähnt, liegt der Source-Anschluss des Haupt-HEMT auf dem Massepotenzial. Dies bedeutet, dass sich diese Bausteine mit der Massefläche direkt thermisch verbinden lassen. Die Massefläche des Systems ist das größte Stück Kupfer auf der Systemplatine und eignet sich daher ideal, um die Abwärme der Bauelemente aufzunehmen und zu verteilen (Bild 7).

Funktion konventionelle GaN-Lösung ICeGaN
Steuerung der Einschaltzeit 2 Widerstände mit 5 bis 10 Ω (±1%, 200 mW) 2 Widerstände mit 5 bis 10 Ω (±1%, 200 mW)
Stabilisierung der Treiberspannung 2 Widerstände (±5%, 10 kΩ) nicht nötig
Halten der negativen Ausschaltspannung 2 Kondensatoren (47 nF/30 V) nicht nötig
Klemmen der positiven Gate-Spannung 2 Zener-Dioden (5,6 V/200 mW)

nicht nötig

Klemmen der negativen Gate-Spannung 2 Zener-Dioden (5,6 V/200 mW)

nicht nötig

Stabilisieren der Versorgungsspannung UDD nicht nötig 2 Kondensatoren

Tabelle 1: Vergleich typischer Stücklisten eines Systems mit ICeGaN von Cambridge GaN Devices (CGD) und einer konventionellen GaN-Lösung.

Tabelle 1 zeigt beispielhaft die Stückliste an externen Komponenten, die für den Betrieb mit ICeGaN-Bausteinen bzw. mit einem konventionellen GaN-Ansatz erforderlich sind. Die wichtigsten kombinierten statischen und dynamischen Kennwerte und Schlüsselmerkmale von ICeGaN im Vergleich zu Silizium-Superjunction-Bauelementen und anderen Arten aktueller GaN-Bauelemente sind in Tabelle 2 aufgeführt. Der dynamische Einschaltwiderstrand (Dynamic R(DS)on) von ICeGaN ist vergleichbar mit dem von anderen GaN-Bauelementen im Anreicherungsmodus, die ein p-GaN-Schottky-Gate verwenden.

Bauteiltechnologie Silizium-Superjuncion-MOSFET GaN-Kaskode GaN-HEMT mit ohmschen p-Gate-Kontakt GaN-HEMT mit Schottky-p-Gate ICeGaN
Flächenspezifischer Durchlasswiderstand in mΩ·cm² 8,0 2,8 3,2 3,2 3,2
Schwellenspannung Uth in V 3,5 4,0 1,2 1,7 3,0
Maximal erlaubte Gate-Spannung in V 20 20 6 7 20
RDS(on) · QG in mΩ·µC 3,5 0,8 0,32 0,3 0,33
RDS(on) · Qoss in mΩ·µC 21 6 2,3 3,3 3,6
RDS(on) · Qrr in mΩ·µC 312 6 0 0 0

Tabelle 2: Merkmale von Silizium-Superjunction-MOSFETs und verschiedene Gate-Treiber-Implementierungen von GaN-Bauelementen, einschließlich ICeGaN. Bei der Kaskode geht beim flächenspezifischen Durchlasswiderstand nur der GaN-HEMT vom Verarmungstyp ein, der Silizium-MOSFET bleibt unberücksichtigt.

Welchen Markt ICeGaN adressiert

ICeGaN lässt sich in der Sperrspannung von 100 bis 900 V und im Leistungsbereich von 40 W bis 10 kW skalieren. Derzeit konzentriert sich Cambridge GaN Devices auf 650-V-Bauelemente mit Einschaltwiderständen von 200, 130 und 55 mΩ, was einer Ausgangsleistung von 60 W bis 4 kW entspricht. Untergebracht sind sie entweder in einem 5 mm × 6 mm oder einem 8 mm × 8 mm großen DFN-Gehäuse.

Es gibt eine Reihe von Anwendungen, die von der hohen Frequenz und den geringen Durchlassverlusten von ICeGaN-Bauelementen profitieren könnten, beispielsweise Ladegeräte, Stromversorgungen, Beleuchtung, USV, drahtlose Stromversorgung, On-Board-Ladegeräte und Hochspannungs-DC-DC-Wandler für Elektrofahrzeuge und Rechenzentren. Neue Anwendungen in Telekommunikationssystemen, Systemen der künstlichen Intelligenz (KI) und dem Mining von Kryptowährungen zeichnen sich ebenfalls ab.

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Prof. Florin Udrea, CTO von Cambridge GaN Devices
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Für Motorsteuerungen werden derzeit meist IGBTs verwendet. Allerdings haben diese von Natur aus keine Rückwärtsleitung und neigen zu Problemen, wenn die Betriebsfrequenz über 20 kHz steigt. GaN-Schaltungen, die auf Kaskoden basieren, haben den Nachteil relativ hoher Rückwärtserholverluste. GaN-HEMTs vom Anreicherungstyp benötigen zusätzliche externe Schaltungen, um die Gate-Spannung zu klemmen, sowie negative Gate-Spannungen zum Abschalten. Hier können ICeGaN-Bauelemente einen großen Beitrag leisten, weil sie sich mit einem beliebigen siliziumbasierten Halbbrückentreiber ansteuern lassen und ihre Rückwärtserholverluste gleich null sind.


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