Wie Galliumnitrid die Leistungswandler verändert
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Wie Galliumnitrid die Leistungswandler verändert
Ähnlich weisen (in diesem Falle für den Einsatzbereich 600 bis 1200 V) die errechneten Kurven für den Materialgrenzwert unipolarer Bausteine (Bild 3) nach, dass GaN-basierte Leistungsbausteine das Potential haben, den RON im Vergleich zu Silizium-MOSFETs um einen Faktor 100 zu reduzieren. In diesem Fall wurden die Ergebnisse von GaNpowIR-Bausteinen bei IR (in Bild 3 IR GaN genannt) im Frühstadium der Entwicklung mit Silizium- und SiC-Bausteinen verglichen.
Zusätzlich zu der Verbesserung des spezifischen Einschaltwiderstands bieten GaN-basierte Leis tungsbausteine auch eine signifikante Steigerung des Gütefaktors für das Schalten des Bausteins (RON × Qg). Simulierte Ergebnisse von im Frühstadium hergestellten Prototypen geben Hinweise darauf, dass die erste Generation von GaN-on-Si-basierten Leistungs-HEMTs voraussichtlich eine Verbesserung von 33 % gegenüber Silizium-MOSFETs realisieren können, die nach dem neuesten Stand der Technik entwickelt werden. Es ist jedoch anzunehmen, dass bei GaN-basierten Leistungsbausteinen innerhalb von fünf Jahren nach Einführung der GaNpowIR-Technologieplattform im Jahre 2009 der Gütefaktor um eine weitere Größenordnung gesenkt werden kann. Legt man diese Berechnungen zugrunde, dann gilt die Vorhersage nach Bild 4: Der Wert RON × Qg für GaN-basierte HEMTs geringer Spannung wird bis 2011 bei niedrigen 12 mΩ × nC angelangt sein. Und bis 2014 wird dieser Gütefaktor mit weniger als 5 mΩ × nC vorherberechnet, eine 10-fache Verbesserung gegenüber der neuen MOSFET-Generation, die im Jahre 2009 vorgestellt wurde.
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Diese Kombination einer geringen Gate-Kapazität mit einem niedrigen Einschaltwiderstand erlaubt ein Schalten mit wesentlich höheren Frequenzen. Intern durchgeführte Simulationen zeigen, dass GaNpowIR-Bausteine potentiell in der Lage sind, bei Frequenzen von über 50 MHz zu schalten – also weit jenseits der Fähigkeiten von Silizium-MOSFETs. Folglich werden DC/DC-Wandler, die GaN-on-Sibasierte HEMTs verwenden, eine deutlich höhere Leistungsdichte erreichen, ohne dass der Wirkungsgrad beeinträchtigt wird. Bild 5 zeigt, dass derzeitige silizium-basierte Mehrphasenlösungen eine Umwandlung von 12 V auf 1,2 V mit brauchbarem Wirkungsgrad bis ungefähr 2 MHz pro Phase durchführen. Im Vergleich dazu werden GaN-on-Si-basierte Leistungsbausteine eine Leistungsumwandlung bis mehr als 50 MHz pro Phase bei hohem Wirkungsgrad ermöglichen. Das wirkt sich in einer geringeren Anzahl externer Komponenten sowie in geringeren, durch parasitäre Effekte verursachten Leistungsverlusten aus. Im Endergebnis lassen sich dadurch bislang unerreicht hohe Packungsdichten, hohe Wirkungsgrade und gesenkte Systemkosten erzielen.
Es wurden zahlreiche Prototypen hergestellt und getestet, um die entscheidenden Vorteile von GaN-on-Si-basierten Leistungsbausteinen zu demonstrieren. Darunter befindet sich auch ein mit 5 MHz arbeitender Niederspannungs-POL-Wandler (Point-of-Load). Dieser GaN-basierte POL, ausgelegt für einen Eingang von 12 V und 1,2 V am Ausgang bei einer Last von 10 A, schaltet mit 5 MHz und liefert dadurch einen Wirkungsgrad, der einer kommerziell erhältlichen, mit 1 MHz schaltenden Siliziumlösung vergleichbar ist – das jedoch bei weniger als einem Drittel der Größe. In beiden Lösungen sind sowohl das Controller/Treiber-IC als auch die Ausgangsspule in der Leistungsstufe integriert.
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