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GaN könnte bald allgegenwärtig werden

»Ob SiC oder GaN, das entscheidet die Spannungsebene«

6. November 2023, 9:00 Uhr | Engelbert Hopf

Die auf SiC-Technologie basierenden ICs der InnoSwitch3-AQ-Familie mit einer Nennspannung von 1700 V eignen sich ideal für den Einsatz in batteriebetriebenen und brennstoffzellenbetriebenen Elektrofahrzeugen der Klassen 600 V und 800 V sowie in Bussen und Lastwagen.

Doug Bailey, Vice President für Marketing bei Power Integrations, erläutert seine Sicht auf die Akzeptanz der Wide-Bandgap-Materialien GaN und SiC und wie sie am besten zum Einsatz kommen.

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Was treibt das Marktwachstum für Wide-Bandgap(WBG)-Halbleiter voran?

Bei Galliumnitrid (GaN) ist der Wirkungsgrad der entscheidende Faktor, der sich auf alles andere auswirkt und zu weniger Wärme, geringerer Größe und niedrigeren Kosten führt. Die wichtigsten Markttreiber im Energiebereich sind Wirkungsgrad und Kosten. Anforderungen in Richtung höherer Wirkungsgrade wurden durch gesetzliche Vorschriften, aber auch durch die Anforderungen des Marktes an kleinere und leichtere Netzteile vorangetrieben. Was die Kosten betrifft, so ist Power Integrations zu dem Schluss gekommen, dass GaN für hochwertige Stromversorgungen mit höheren Spezifikationen der kostengünstigste Ansatz ist, da hier Kühlkörper und die für komplexe Topologien erforderlichen zusätzlichen Schalter eingespart werden können.

Um das Potenzial von GaN zu optimieren, ist ein neues Denken auf Systemebene notwendig. Frühere Topologien, die entwickelt wurden, um die Probleme bei der Verwendung von Silizium zu kompensieren, sind nicht mehr erforderlich, da GaN einem idealen Schalter sehr viel näher kommt. Damit meine ich, dass GaN-Bauelemente sehr, sehr schnell schalten und eine sehr geringe Gate-Kapazität und eine sehr geringe Ausgangskapazität COSS aufweisen. Das bringt jedoch eine Reihe von Designherausforderungen mit sich. Power Integrations hat festgestellt, dass die beste Vorgehensweise bei der Arbeit mit GaN darin besteht, ein System um GaN herum aufzubauen. Daher entwickeln wir Subsysteme in GaN wie etwa unsere InnoSwitch-Flyback-Stromversorgungs-ICs, unsere HiperPFS-5-Bauelemente zur Leistungsfaktorkorrektur sowie unsere LytSwitch-6-LED-Treiber. Wir haben GaN-Bauelemente auf den Markt gebracht, die für Notebook-Adapter, Handy-Adapter, kleine Stromversorgungen, LED-Beleuchtung sowie andere Applikationen von Nutzen sind, und es werden noch viele weitere folgen.

Power Integrations verfolgt bei Siliziumkarbid die gleiche Strategie, und wir sehen die gleichen Vorteile auf Systemebene. Bei der Entscheidung, welche WBG-Technologie zum Einsatz kommen soll, ist für uns die Spannungsebene entscheidend: Wir verwenden Siliziumkarbid für 1700-V-Produkte, die auf 800-V-Automobilanwendungen ausgerichtet sind; bei 400-V-Automobilanwendungen halten wir allerdings GaN für die ideale Lösung.

Was sind die Kompromisse bei der Verwendung eines Wide-Bandgap-Halbleiterbauelements im Vergleich zu einem herkömmlichen Bauelement auf Siliziumbasis?

Darauf gibt es keine einfache Antwort, aber ich denke, dass die angestrebte Gehäusegröße der entscheidende Faktor ist. Anhand des Gehäuses kann das verfügbare Wärmebudget berechnet werden, um ein passendes Energiesystem in dieses Gehäuse einzubauen. Auf dieser Grundlage können Entwickler beurteilen, ob sie Silizium mit einer einfachen Topologie, Silizium mit einer komplexen Topologie oder GaN mit einer einfachen Topologie verwenden können. Wir haben GaN-Vorrichtungen auf den Markt gebracht, die für Notebook-Adapter, Handy-Adapter, kleine Stromversorgungen, LED-Beleuchtung und Ähnliches von Nutzen sind, und es werden noch viele weitere folgen. Wenn man sich für einen LLC-Resonanzwandler entscheidet, müssen mehr Schalter eingebaut werden, was zu höheren Kosten führt. Darüber hinaus verliert man einen dynamischen Betriebsbereich, sodass Probleme durch Einschränkungen der Eingangs- oder Ausgangsspannung entstehen.

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Es gilt also abzuwägen, ob die Zwänge des komplexen Siliziums die mit dem Einsatz der neuen Technologie verbundenen Risiken überwiegen. Power Integrations ist davon überzeugt, dass diese neue Technologie bewährt, zuverlässig und robust ist und zudem die niedrigsten Systemkosten bietet. Wir würden daher eher eine GaN-Lösung als eine LLC-Lösung vorschlagen, obwohl wir auch LLC-ICs in unserem Programm haben. Wir empfehlen ein einfaches GaN-Flyback gegenüber einer komplexeren Resonanzwandler-Stromversorgung, ganz einfach aufgrund der Flexibilität, die die Flyback-Schaltung bietet.

Was sind die wichtigsten Überlegungen für Gehäuse von Wide-Bandgap-Halbleitern, und wie können diese angegangen werden?

Power Integrations ist ein Unternehmen für Subsysteme, kein Unternehmen für GaN-Transistoren: Wir integrieren den Schalter, ob GaN, SiC oder Silizium, zusammen mit anderen Funktionen in ein Gehäuse, um eine integrierte Stromversorgungslösung zu liefern. Wir versuchen nicht, das beste Gehäuse für einen Leistungs-FET zu finden, sondern das beste Gehäuse für ein Mehrchip-Subsystem für eine kleine Flyback-Stromversorgung, einen PFC-Baustein oder einen LED-Treiber. Daher stellen unsere Gehäuse eine einzigartige Herausforderung dar. Ein Grundprinzip bei Power Integrations war es jedoch, die Anzahl der Pins und die Gehäusegröße zu minimieren und dabei die Einschränkungen hinsichtlich der Kriechströme zu berücksichtigen, sodass WBG-Halbleiter unseren Ansatz in dieser Hinsicht nicht geändert haben.

Vor diesem Hintergrund stellt Power Integrations kundenspezifische Gehäuse her, die sowohl auf elektrischer als auch auf thermischer und mechanischer Ebene optimal für Stromversorgungen geeignet sind. Beim Entwurf eines Gehäuses bedenken wir die folgenden Punkte:

Wird es isoliert sein?
Wird es die Wärme ausreichend ableiten?
Ist es robust genug gegen Feuchtigkeit?
Wird es die üblichen JEDEC- und Automobilprüfungen bestehen?

Power Integrations arbeitet kontinuierlich an Innovationen im Bereich der Gehäuse. So haben wir beispielsweise vor einigen Jahren Fluxlink eingeführt, eine Kommunikationstechnologie, die es ermöglicht, Rückmeldungen über eine Isolationsbarriere hinweg zu übertragen, ohne dass magnetische Materialien oder ein Optokoppler verwendet werden. FluxLink bietet eine sehr hohe Kommunikationsbandbreite, die eine wesentlich schnellere Reaktion auf Lasttransienten ermöglicht. Da FluxLink ein Leadframe-basierter Ansatz ist, verwenden wir Standard-Stanzwerkzeuge und Standard-Transfer-Molding-Technologie. Daher entstehen uns trotz der Verwendung eines Mehrchip-Moduls keine Kostennachteile.

Wie kann das Wärmemanagement in Hochleistungs-Wide-Bandgap-Halbleiterbauelementen optimiert werden, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten?

Eine allgemeine Bemerkung zum Wärmemanagement ist, dass Power Integrations festgestellt hat, dass mehr GaN billiger ist als mehr Aluminium. Anders gesagt ist es besser, die Größe des GaN-Transistors zu erhöhen und von vornherein weniger Wärme zu erzeugen, als im Nachhinein zu versuchen, eine mechanische Lösung mit Kühlkörper und Lüfter zu finden. Ein Milligramm GaN ist billiger als ein Kilogramm Aluminium.

Insbesondere ist eine der wichtigsten Designüberlegungen, sicherzustellen, dass der Kühlkörper am Source-Anschluss liegt, also geerdet ist. Daher stellt Power Integrations sicher, dass bei seinen Bauelementen eine große Menge Metall vom Leadframe des Gehäuses freiliegt und zum Anlöten zur Verfügung steht. Manchmal befindet sich ein Pad auf der Rückseite des Bauelemente, manchmal ist eine Lasche an einer Seite angebracht. Unsere Bauelemente verfügen über eine geerdete Lasche, sodass kein heißer Hochspannungskühlkörper vorhanden ist, der bei hohen Frequenzen hoch- und runterschaltet und ein breites Spektrum an Frequenzen abstrahlt, was zu EMI-Problemen führt.

Wie wird sich die Verwendung von Wide-Bandgap-Halbleiterbauelementen in der Leistungselektronik zukünftig entwickeln?

Da GaN nahe am idealen Schalter ist, bin ich der Auffassung, dass, wenn GaN verwendet werden kann, dies auch verwendet werden sollte. Ich prognostiziere, dass GaN im Wesentlichen bei niedrigeren Spannungen – von Netzspannung bis 1200 V – die Oberhand gewinnen wird. Im Wesentlichen wird GaN bis zu einem bestimmten Leistungspegel allgegenwärtig werden, insbesondere für Anwendungen, die über den gesamten Lastbereich effizient sein müssen. Dies hängt von der zukünftigen technischen Entwicklung von GaN ab: Wenn die Spannungen von GaN-Bauelementen steigen, werden sie es Siliziumkarbid ersetzen, und mit zunehmender Strombelastbarkeit wird GaN IGBTs ersetzen.