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Ultraschnelle Ladegeräte

Treiber und GaN-Leistungstransistor in einem Modul

22. Oktober 2020, 12:06 Uhr | Ute Häußler

Das weltweit erste Modul mit Si-Treiber und GaN-Leistungstransistoren soll Ladegeräte und Netzteile bis 500 W um 80 % kleiner und 70 % leichter machen. Dreimal schnelleres Laden nutzt Smartphones, USVs und vielen Industrie- und Consumer-Geräten. Auch die Entwicklung vereinfacht sich.

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Der Halbleiterproduzent STMicroelectronics hat unter dem Namen MasterGaN ein neuartige Serie Wandler-Module für Ladegeräte und Netzteile in der Industrie und für Endverbraucher vorgestellt. MasterGaN kombiniert einen auf Silizium-Technologie basierenden Halbbrücken-Treiber mit einem Galliumarsenid-Transistorpaar (GaN). Das neuvorgestellte Modul unterstützt die Entwicklung innovativer, kompakter und sehr effizienter Ladegeräte und Netzteile für Consumer- und Industrie-Anwendungen bis 500 W. Dank der GaN-Technologie können diese Geräte mehr Leistung verarbeiten, während sie gleichzeitig kleiner, leichter und energieeffizienter werden.

Anwendungen im industriellen und Consumer-Umfeld

Auswirken werden sich diese Verbesserungen bei Smartphone-Ladegeräten, kabellosen Ladegeräten und USB-PD-Kompaktnetzteilen für PCs und Gaming-Produkte, aber auch in gewerblichen Applikationen wie etwa Sonnenenergie-Speichersystemen, unterbrechungsfreien Stromversorgungen sowie High-End-OLED-Fernsehgeräten und Server-Clouds. Die Kombination des für hohe Spannungen geeigneten Smart-Power-BCD-Prozesses mit der GaN-Technologie beschleunigt die Implementierung platzsparender, energieeffizienter Produkte.

Technische Realisation von herausragenden Wandlern

Die MasterGaN-Plattform stützt sich auf 600-V-Gatetreiber sowie auf HEMTs (High-Electron-Mobility Transistors) auf GaN-Basis. Das 9 mm x 9 mm große, flache GQFN-Gehäuse bürgt für hohe Leistungsdichte und ist mit seiner über 2 mm langen Kriechstrecke zwischen den Hochspannungs- und Niederspannungs-Pads für Anwendungen mit hohen Spannungen geeignet.

Die Bausteinfamilie wird laut STMicroelectronics unterschiedlich große GaN-Transistoren (mit verschiedenen RDS(on)-Werten) umfassen und in Form pinkompatibler Halbbrücken-Produkte angeboten werden, die Entwicklern das Skalieren erfolgreicher Designs mit nur geringfügigen Modifikationen an der Hardware erlauben. Dank der geringen Einschaltverluste und der wegfallenden Sperrverzögerung der Body-Diode – beides kennzeichnende Merkmale von GaN-Transistoren – sorgen die Produkte für einen herausragenden Wirkungsgrad und eine allgemeine Steigerung der Leistungsfähigkeit in hocheffizienten Topologien wie etwa Sperrwandlern, Durchflusswandlern mit aktiver Klemmung, Resonanzwandlern, brückenlosen Totem-Pole-PFC-Lösungen (Leistungsfaktor-Korrektur) und weiteren hart oder sanft schaltenden Topologien in AC/DC- und DC/DC-Wandlern sowie DC/AC-Wechselrichtern.

Das Modul vereinfacht die Entwicklung

Diskrete GaN-Leistungstransistoren und Treiber-ICs fordern Power-Designer, in dem alle Komponenten optimaler kombinieren werden müssen. Das MasterGaN-Modul überspringt diesen Schritt und soll Entwicklern eine geringe Entwicklungszeit, gesicherte und geprüfte Leistung auf weniger Bauraum sowie eine einfacherer Integration und hohe Zuverlässigkeit bieten. Die Bill-of-Materials (BOM) verkürzt sich. Dank der GaN-Technologie und der Vorteile der integrierten Produkte von ST können Ladegeräte und Netzteile gegenüber herkömmlichen Lösungen auf Siliziumbasis um 80 % kleiner und 70 % leichter werden.

Das erste Produkt der neuen Technologie

Als erstes Produkt der neuen Plattform bringt ST den MasterGaN1, der zwei als Halbbrücke verschaltete Leistungstransistoren sowie integrierte High-Side- und Low-Side-Treiber enthält. Der MasterGaN1 enthält zwei selbstsperrende Transistoren mit exakt übereinstimmenden Timing-Parametern, einem Grenzstrom von 10 A und einem Einschaltwiderstand (R_DS(on)) von 150 mΩ. Die Logikeingänge sind kompatibel zu Signalen von 3,3 V bis 15 V. Zur umfassenden Palette eingebauter Schutzfunktionen gehören eine high- und low-seitige Unterspannungssperre, eine Verriegelungsfunktion (Interlock), ein spezieller Shutdown-Pin und ein Überhitzungsschutz. Interessenten können für individuelle Stromversorgungsprojekte auf ein Evaluationsboard zurückgreifen.