High Electron Mobility Transistor – der HEMT
Nicht nur für Hochfrequenz
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Leistungshalbleiter müssen selbstsperrend sein
Ein Problem der normalen GaN-HEMTs ist, dass sie als selbstleitende Verarmungs-Typen von Natur aus ohne Steuerspannung leitend sind. Ein Bauteil, das ohne Steuerspannung einschaltet, ist schon in Kleinleistungsschaltungen lästig, weil ein Ausfall der Ansteuerung zum Durchschalten der Leistungsstufen und damit zu Kurzschlüssen führt.
Selbstsperrende Anreicherungs-Typen sind im Schaltungs-Design wesentlich angenehmer. Jedoch wird ein selbstsperrender GaN-HEMT eher als p-Kanal-Variante realisiert, bei der Elektronen-Lücken (Löcher) den Strom darstellen, nicht Elektronen. Diese haben gegenüber den n-Kanal-Varianten die schlechteren Kenndaten. Auch andere Design-Varianten von HEMTs, die ohne Steuerspannung sperren, haben funktionelle Nachteile; sie erreichen beispielsweise nur 200 V Sperrspannung.
Transphorm hat dieses Problem durch eine Kaskoden-Schaltung (Bild 3) aus einem selbstsperrenden Niederspannungs-MOSFET in Silizium-Technik und einem normalen N-Kanal-HEMT gelöst: Bei kleinen Spannungen ist der konventionelle MOSFET noch schnell genug und die Kaskode ist so ebenfalls selbstsperrend. Ein Miller-Plateau tritt nicht in Erscheinung und 600 V Sperrspannung wie bei IGBTs und MOSFETs sind kein Problem.
Schaltungsvorteile der GaN-HEMTs
Der Transphorm-HEMT kann nun prinzipiell wie ein normaler Silizium-Leistungs-MOSFET eingesetzt werden. IGBT- und MOSFET-Treiberschaltungen sind daher auch für GaN-HEMTs verwendbar und Steuerspannungen bis zu ±18 V mit ihrem erhöhten Störabstand sind möglich. Den HEMT 1:1 anstelle eines MOSFET in eine vorhandene Schaltung einzubauen ist allerdings nicht sinnvoll, weil er dabei seine Vorzüge nicht ausspielen kann. HEMTs sollten schon eigens für sie entwickelte Schaltungen erhalten, die die höhere Schaltgeschwindigkeit, die geringere Verlustleistung und auch andere Unterschiede bei den inneren Werten berücksichtigen. So enthält der HEMT keine langsame Body-Diode mit hohem Qrr, die Probleme bereitet, und benötigt keine externen Freilaufdioden (Bild 4). Auch dies macht Schaltungen mit GaN-Leistungshalbleitern schneller: MOSFETs können wegen des hohen Qrr ihrer Body-Dioden in Brückenschaltungen nur unterhalb von 10 kHz arbeiten; IGBTs schaffen maximal 150 kHz Schaltfrequenz und benötigen zusätzliche Freilauf-Dioden. Ein aktuell lieferbarer GaN-HEMT hat dagegen Einschaltzeiten von 3,5 ns. Wirkungsgrade und Leistungsdichten für Stromversorgungen und Spannungswandler mit GaN-Leistungshalbleitern liegen deutlich über denen optimierter Silizium-Lösungen. Dabei muss das schnellere Schalten nicht zu erhöhten Funkstörungen führen; um diese zu minimieren, gibt es die HEMTs jeweils in unterschiedlichen Bauformen mit Source oder Drain an der Kühlfahne, um an dieser auch in Brücken- und Gegentakt-Schaltungen stets ein stabiles Potenzial ohne schnelle Spannungswechsel zu haben.
Vorhandene Schaltungslayouts sind für die höheren Schaltgeschwindigkeiten und Taktfrequenzen der GaN-HEMTs oft ungeeignet; hier können zu hohe und womöglich noch ungewollt gekoppelte parasitäre Induktivitäten zu Fehlfunktionen und im Extremfall zur Zerstörung der Halbleiter führen. Damit Entwickler die GaN-HEMTs zuverlässig testen können, bietet Transphorm Demo-Boards an. Zwar stehen Layout und Stücklisten auch einzeln zur Verfügung, doch werden diese nicht zum allgemeinen Download angeboten.
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- Leistungshalbleiter müssen selbstsperrend sein
- Demo-Boards für Entwickler
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