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GaN im Test gegen Silizium

Wide-Bandgap-Halbleiter für Elektrofahrzeuge

GaN versus Silizium
GaN als Leistungshalbleiter schneidet im Vergleich zu Silizium besser in der Efiizienz der Stromversorgung ab.
© Shutterstock

Die Elektrisierung des Autos braucht Leistung. Galliumnitrid-Transistoren bedienen die steigenden Anforderungen. Für Mild-Hybrid-Antriebe eignen sich besonders Niederspannungs-HEMTs auf GaN-Basis. Mit kurzen Schaltzeiten und hoher Zuverlässigkeit ermöglichen sie neue Konzepte für Leistungswandler.

2020 wird das Galliumnitrid (GaN)-Jahr, lautet die Essenz
der aktuellen Leistungselektronik-Marktstudie von Yole Développement. Gleichzeitig steigt der Anteil der Elektronik im Auto und soll laut Roland Berger 2025 schon bei 35 % liegen. Eine sich ergänzende Entwicklung: GaN-Transistoren erfüllen die Frequenz-, Wirkungsgrad- und Leistungsdichte-Anforderungen neuer Applikationen der Automobilindustrie und stellen somit insbesondere bei niedrigen Spannungen eine Konkurrenz für konventionelle Silizium-Leistungstransistoren dar (Bild 1).

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GaN versus Silizium
Übersicht über die Einsatzbereiche der verschiedenen Leistungselek­troniktechnologien, angeordnet nach Performance (Frequenz, Effizienz sowie Leistungsdichte) und Spannung.
© STMicroelectronics

Vorteile in hart schaltenden Wandlern

Eine besonders hohe Leistungsfähigkeit erreichen die GaN-Transistoren in hart schaltenden Anwendungen mit hohen Schaltfrequenzen. Im automotiven Nieder- und Hochspannungsbereich gehören dazu etwa Bordladegeräte, 48-V-Mildhybrid-Architekturen, Ladestationen, LiDAR-Systeme, die kontaktlose Energieübertragung zum Laden des Akkus und auch Audioverstärker der Klasse D.

Mildhybrid-Antriebe setzen für eine hohe Leistung fast ausnahmslos auf 48 V. Ein Bestandteil der 48-V-Mildhybrid-Architektur ist ein bidirektionaler Leistungswandler mit einer Leistung von 3,3 kW, der für den Energietransfer zwischen dem Haupt-Bordnetz mit 48 V und dem 12-V-Bordnetz genutzt wird (Bild 2).

 

GaN versus Silizium
Typischer Aufbau eines bidirektionalen Leistungswandler-Systems in automotiven 48-V-Systemen für den Energietransfer zwischen 48-V- und 12-V-Bordnetz.
© STMicroelectronics

Vier Bausteine im Vergleich

STMicroelectronics hat Prototypen von 100-V-GaN-Transistoren in einem 48-V-Abwärtswandler mit Synchrongleichrichter für Elektrofahrzeuge getestet. Um die Leistungsfähigkeit der verschiedenen Halbleiter zu vergleichen, wurden zwei eigene GaN-HEMT-Prototypen und ein Silizium-Leistungs-MOSFET sowie ein vergleichbarer Silizium-Leistungs-MOSFET eines Mitbewerbers gegenübergestellt.

Der Test erfolgte unter den folgenden Bedingungen:

  • Eingangsspannung UE= 48 V
  • Ausgangsspannung UA= 12 V
  • Ausgangsstrom IA = 20 A

Die wichtigsten Kenndaten der ausgewählten Leistungstransistoren sind in Tabelle 1 gegenübergestellt.

 Drain-Source-Durchbruchspannung BUdss bei 250 µA [V]Schwellen­spannung Uth bei 250 µA [V]Durchlass­widerstand
RDSon typ [mΩ]
Gate-
Widerstand
RG [Ω]
Kleinsignal-
Eingangska­pazität Ciss bei 48 V [pF]
Kleinsignal-
Ausgangs­kapazität Coss bei 48 V [pF]
Kleinsignal-Rückwirkungs-kapazität Crss bei 48 V [pF]
GaN-HEMT von
STMicroelectronics
1001,3 0,93351305
GaN-HEMT von
STMicroelectronics
1001,3 0,659526010
Si-Leistungs-MOSFET
vom STMicroelectronics
1191,5 1,1270072670
Si-Leistungs-MOSFET
des besten Mitbewerbers
1083,2 1,2170028510

 

GaN versus Silizium
Prinzipschaltbild des verwendeten synchronen Abwärtswandlers.
© STMicroelectronics

Im Test wurden beide 100-V-Silizium-Leistungs-MOSFETs oben (High Side) und unten (Low Side) eingesetzt (Bild 3), die GaN-HEMTs dagegen wurden wie folgt verwendet:

  • Transistor 1 oben (High Side) und Transistor 2 unten (Low Side)
  • Transistor 2 oben und unten

 

Die Leistungsfähigkeit des Gleichspannungswandlers wurde in den vier Bestückungsversionen gemessen.

1: Transistor 1 oben kombiniert mit Transistor 2 unten
   (rote Kurven in Bild 4 und 5)
2: zwei Transistoren 2 (orange Kurven in Bild 4 und 5)
3: zwei Transistoren 3 (blaue Kurven in Bild 4 und 5)
4: zwei Transistoren 4 (graue Kurven in Bild 4 und 5)
Wirkungsgrad und Verluste bei 300 kHz Schaltfrequenz gehen aus den Bildern 4 und 5 hervor.

GaN versus Silizium
Gemessener Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers als Funktion des Ausgangsstroms bei 300 kHz Schaltfrequenz.
© STMicroelectronics
GaN versus Silizium
Gemessene Verluste des Gleichspannungswandlers als Funktion des Ausgangsstroms bei 300 kHz Schaltfrequenz.
© STMicroelectronics

Die vorteilhaften Wirkungsgradresultate der GaN-Transistoren spiegeln sich auch in den Temperaturmessungen am oberen Schalttransistor wider, die hauptsächlich von den Schaltverlusten beeinflusst werden (Bild 6).

GaN versus Silizium
Ergebnisse der Temperaturmessungen am High-Side-Schalter.
© STMicroelectronics

Die gemessenen Daten lassen erkennen, dass der GaN-Transistor eine deutlich niedrigere Gehäusetemperatur erreicht.

Mit den Wandlern, bestückt mit GaN-HEMTs wurden zu­sätzliche Messungen bei Schaltfrequenzen bis zu 1 MHz vorgenommen, um deren schnelle Schalteigenschaften zu verifizieren (Bild 7) [1].

GaN versus Silizium
Gemessene Kurvenverläufe für das Abschaltverhalten der GaN-HEMTs bei 1 MHz.
© STMicroelectronics

Die violetten und die gelbe Kurve in Bild 7 zeigen, dass neben einem schnellen Schaltverhalten auch das Leiterplatten-Layout und die Art des Transistorgehäuses mit geringen Streuinduktivitäten für ein Schaltverhalten mit wenigen Oszillationen der Drain-Source- und der Gate-Source-Spannung sorgen. Der Wirkungsgrad und die Verluste bei 1 MHz sind auf den Bildern 8 und 9 zu sehen.

 

GaN versus Silizium
Gemessener Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers als Funktion des Ausgangsstroms bei 1 MHz Schaltfrequenz.
© STMicroelectronics
GaN versus Silizium
Gemessene Verluste des Gleichspannungswandlers als Funktion des Ausgangsstroms bei 1 MHz Schaltfrequenz.
© STMicroelectronics

Aus den Messungen und Ergebnissen wird ersichtlich, dass die GaN-Transistoren selbst bei dieser hohen Schaltfrequenz auf einen maximalen Wirkungsgrad von 93 % brachten.

Die künftig benötigten hohen Frequenzen und die gleichzeitig hohe Leistungsdichte, begleitet von immer kleineren Abmessungen und geringem Gesamtgewicht, dürfte dazu führen, dass sich GaN-Halbleiter im Automobilbereich schnell verbreiten. Denn gerade die Leistungswandler im Auto sind durch harte Schaltbedingungen gekennzeichnet. Oberstes Ziel sind minimale Schaltverluste – und GaN-HEMTs bieten hier Vorteile gegenüber Si-MOSFETs.

 

Die Autoren:

Filippo Scrimizzi
ist Niederspannungs-MOSFET und STi2GAN Application Manager und arbeitet seit über 20 Jahren für STMicroelectronics. Er hat einen Abschluss der Universität Messina, Italien, in Elektrotechnik.

Filadelfo Fusillo
ist Senior Application Engineer in der Makro-Division für Leistungstransistoren, mit Fokus auf GaN-Niederspannungstransistoren. Er hat einen Abschluss in Elektrotechnik der Universität Catania, Sizilien.

Giusy Gambino
ist für das technische Marketing für Niederspannungs-Leistungs-MOSFETs in der Automotive Discrete Group / Low Voltage Solutions Division verantwortlich. Ihr Hauptaugenmerk liegt auf dem Automobilmarkt in der EMEA-Region.

Literatur
[1] Lidow, A; Strydom, J.; Rooij, M. und Ma, Y: GaN Transistors
for Efficient Power Conversion. Power Conversion Publications, 2012, 1. Auflage, ISBN: 978-0-615-56925-3.  
[2] Frisina, F.; Dispositivi di Potenza a semiconduttore, Edizione DEL FARO, Prima Edizione, Juni 2013.
[3] Mohan, N.;  Undeland, T. M. und Robbins, W. P.: Power Elec­tronics Converters, Applications and Design, J. Wiley & Sons NY, 1995, 2. Auflage.
[4] Murari, F. Berrotti und Vignola, G. A.: Smart Power ICs: Technologies and Applications, 2. Auflage.


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