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GaN-HEMT-Topologien für HD-LiDAR

16. Oktober 2023, 9:00 Uhr | Von Kengo Ohmori

Was sind wichtige Komponenten eines Hochleistungs-LiDAR-Systems (Light Detection and Ranging)? Im Beitrag geht es um Antworten auf diese Frage, außerdem um die primären Schaltungen und Simulationsbeispiele für zwei verschiedene Topologien von GaN-HEMTs.

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LiDAR basiert auf dem Prinzip der Entfernungsmessung, bei dem ein Lichtstrahl auf ein Objekt gerichtet und die Laufzeit der Reflexion (Time of Flight, ToF) genau gemessen wird. Indem das emittierte Licht über eine reale Szene bewegt wird, können 3D-Darstellungen für die weitere Verarbeitung durch ein Computersystem erfasst werden. Die Anwendungen von LiDAR, wie die Luftvermessung, das Scannen von Objekten für die 3D-Modellierung und die Steuerung autonomer Fahrzeuge, sind vielfältig und nehmen stetig zu.

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Hochleistungs-Pulslaserdioden für LiDAR

Die häufigste Lichtquelle in LiDAR-Systemen ist eine gepulste Hochleistungs-Laserdiode. Diese ist meist auf eine Wellenlänge außerhalb des Absorptionsbereichs des menschlichen Auges abgestimmt. Die Qualität der von den Lasern erzeugten Strahlen ist von entscheidender Bedeutung für die Auflösung von LiDAR-Systemen. Wie in Bild 1 dargestellt, kann die Auflösung durch den Einsatz von Hochleistungslasern mit einem begrenzten Emissionsbereich erheblich verbessert werden.

Für LiDAR- und SLAM-Anwendungen (Simultaneous Localization and Mapping) bietet das Unternehmen Rohm Semiconductor zum Beispiel Laserdioden mit einer Spitzenleistung von bis zu 120 W bei 905 nm.

Halbleiterschalter für die Generierung von LiDAR-Pulsen

Um Lichtpulse für LiDAR zu erzeugen, müssen die Laser von einem Halbleiterschalter angesteuert werden. Auch hier wirkt sich die Qualität des Schalters direkt auf die Auflösung des LiDAR-Bildes aus. Sie ist typischerweise durch die Einschaltzeit, den Spitzenstrom und den Schaltverlust gekennzeichnet.

Ein Technologiebeispiel für LiDAR-Schalter ist ein HEMT (High Electron Mobility Transistor), der aus Galliumnitrid (GaN) besteht. Im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Bauelementen weisen diese Schalter sehr schnelle Schaltgeschwindigkeiten und eine bis zu 65 Prozent geringere Verlustleistung auf (Bild 2).

Für Hochleistungsanwendungen wie LiDAR gibt es GaN-HEMT-Bauelemente, die verschiedene Systembetriebsspannungen und Leistungsstufen unterstützen. Das Portfolio der GaN-HEMTs von Rohm Semiconductor umfasst Modelle für 150 V und 650 V.

HEMT-Gate-Treiber

Um die Vorteile der schnellen Schaltgeschwindigkeiten von HEMTs zu nutzen, müssen ihre Gates mit einem Hochgeschwindigkeitssignal angesteuert werden. Am Anfang der LiDAR-Ausgangsstufe befindet sich der HEMT-Gate-Treiber (Bild 3).

Die Treiber wurden speziell entwickelt, um die geeignete Bias-Spannung und Geschwindigkeit für den Anschluss von GaN-HEMT-Transistoren bereitzustellen. Sie bieten noch weitere Vorteile, wie zwei Ausgänge und die Möglichkeit, den Ausgang zu aktivieren.

Der Aufbau eines LiDAR-Systems mit all diesen optimierten Bauteilen für die Steuerung, Ansteuerung und Erzeugung der Lichtpulse am Ausgang garantiert eine höhere Auflösung im endgültigen Ausgangsbild. Die genaue Schaltungstopologie für eine bestimmte Anwendung wird oft aus folgenden zwei Typen ausgewählt: Zweiflanken-Rechteck oder Einflanken-Resonanz.

Zweiflanken-Rechteck-GaN-HEMT-Schaltung, Bilder 4-6

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Die einfachste Methode zum Takten einer Laserdiode besteht darin, den Strom mit einem Serienschalter zu steuern (Bild 4).

In Bild 4 ist U1 ein GaN-HEMT, der über eine 35-W-Laserdiode RLD90QZWD direkt Strom von der Versorgungsspannung Vin bezieht. Wenn das Gate von U1 auf High geschaltet wird, schaltet sich der Laser ein, und wenn es auf Low geschaltet wird, schaltet sich der Laser aus. Diese beiden Flanken steuern die Pulsbreite des optischen Ausgangs, daher die Bezeichnung Zweiflanken- oder Rechteck-Konfiguration.

Die simulierte Signalform für dieses Steuerschema ist in Bild 5 dargestellt. Die Gate-Spannung am HEMT ist in rot, der Strom durch den HEMT ist in grün abgebildet. In Bild 6 ist die optische Ausgangsleistung der Laserdiode in blauer Farbe dargestellt.

Diese Art von Topologie ist zwar einfach zu implementieren und bietet Flexibilität bei der Ausgangspulsbreite, doch gibt es mehrere Nachteile, die sie zu einer eher unbeliebten Wahl für Hochleistungs-LiDAR machen:

➔ Die Einschaltgeschwindigkeit des Lasers wird direkt durch die Einschaltgeschwindigkeit des HEMT und durch die Serieninduktivität in der Schaltung begrenzt.
➔ Die Pulsform ist asymmetrisch, wobei sowohl die Einschalt- als auch die Ausschaltflanken eine sorgfältige zeitliche Abstimmung erfordern. Trotz dieser Nachteile können diese beiden Eigenschaften durch die Verwendung der beliebteren Resonanzkonfiguration verbessert werden.