Wie Galliumnitrid die Leistungswandler verändert
Angesichts radikaler Verbesserungen des Gütefaktors (FOM, Figure Of Merit) R<sub>DS(on)</sub> × Q<sub>sw</sub>, der eine Größenordnung besser ist als bei modernsten Siliziumlösungen, versprechen auf Gallium-Nitrid (GaN) basierende Leistungsbausteine eine Revolution...
Angesichts radikaler Verbesserungen des Gütefaktors (FOM, Figure Of Merit) RDS(on) × Qsw, der eine Größenordnung besser ist als bei modernsten Siliziumlösungen, versprechen auf Gallium-Nitrid (GaN) basierende Leistungsbausteine eine Revolution hinsichtlich hochintegrierter und kostengünstiger Lösungen zur Leistungsumwandlung. An Hand erster Prototypen von DC/DC-Wandlern zeigt dieser Artikel, wie GaN die Landschaft der Leistungswandler bezüglich Wirkungsgrad, Packungsdichte und Kosten verändert, gleichzeitig jedoch Herausforderungen bezüglich der digitalen Leistungsregelung auftreten.
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Silizium-Leistungs-MOSFETs waren in den vergangenen drei Jahrzehnten führend in der Leistungsumwandlung. Von planaren HEXFETs, die im Jahre 1978 von International Rectifier (IR) eingeführt wurden, bis hin zu TrenchFETs und Super-Junction-FETs (SJ-FETs) haben es Leistungs-MOSFETs den Bipolaren über nahezu 30 Jahre hinweg alles andere als leicht gemacht. Jetzt allerdings hat sich dieser Silizium-Leistungsbaustein einem Leistungsplateau angenähert. Das bedeutet, dass er nicht mehr das Potential besitzt, das von Applikationen der nächsten Generation verlangte Preis/Leistungs-Verhältnis zu liefern. Folglich wird jede weitere Leistungssteigerung zu unvertretbar höheren Kosten führen.
Somit sind neue Materialien und Transistorstrukturen erforderlich, die diese Lücke in der Leistungsumwandlung schließen. Obwohl sich die Silizium-Karbid-Entwickler in den letzten zehn Jahren dieser Probleme angenommen haben, konnte sich dieses Material wegen der Kosten nicht im Markt etablieren. Über die spezifische Kostenstruktur von SiC hinaus wird diese Technologie auch durch die beschränkte Versorgung mit Material hoher Qualität zusätzlich sehr teuer. Hinzu kommen noch die Nicht-Skalierbarkeit der Substratgröße sowie höhere Sperrschichtkapazitäten.
International Rectifier hat eine proprietäre, auf Gallium-Nitrid (GaN) basierende Technologieplattform für Leistungsbausteine entwickelt, die einen Gütefaktor verspricht, der mindesten zehnfach besser ist als der von vorhandenen Silizium-MOSFETs. IR ist davon überzeugt, das seine GaN-Leistungstechnologie das Potential besitzt, eine Revolution in der Leistungselektronik einzuleiten, die der Einführung von HEXFETs vor ungefähr drei Jahrzehnten vergleichbar ist.
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