Der Siegeszug von Galliumnitrid

 

Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics

Die Galliumnitrid-Technologie (GaN) gibt es schon seit vielen Jahren. Ursprünglich wurde sie in leistungsstarken Mikrowellen-Funksystemen eingesetzt, wo sie für die Hochfrequenzeigenschaften verantwortlich war. Später bildete sie die Grundlage der LED-Produktion. Seit Neuestem kommt sie auch in Stromversorgungsgeräten zum Einsatz. In dem folgenden Artikel wird die Erfolgsbilanz von GaN beleuchtet.

Dank seines breiten BandlĂĽcke eignet sich GaN fĂĽr Highspeed-Anwendungen bei 60/70 GHz. Die Technologie wurde ursprĂĽnglich fĂĽr Mikrowellen-Kommunikationsanwendungen genutzt, als Geräte von Anbietern wie Wolfspeed (ein Unternehmen von Cree) auf den Markt kamen. Forscher der Universität Bristol arbeiten derzeit an HEMTs (High Electron Mobility Transistors) aus GaN auf einem Diamantsubstrat, die als Grundlage fĂĽr 5G- und 6G-Mobilfunknetze der nächsten Generation dienen sollen. 

Auch für die Verwendung in LED-Komponenten ist GaN durch seine große Bandlücke geeignet. Unternehmen wie Broadcom/Avago, STMicroelectronics und LiteOn nutzen die Technologie für hocheffiziente und besonders langlebige Festkörperbeleuchtungssysteme.

Mehr Applikationsfelder - sinkende Kosten

Durch den zunehmenden Einsatz sind die Herstellungskosten für GaN zwar bereits gesunken, die Gewinnmargen sind allerdings weiterhin niedriger als bei Silizium, was sich im Preis für GaN-Produkte niederschlägt. (Mit der Zeit wird die Technologie allerdings rentabler, und die entsprechenden Aufschläge sinken.) Der Boom auf dem Elektrofahrzeugmarkt eröffnet weitere Möglichkeiten für die Technologie im Bereich der Energieversorgung. Hinzu kommt, dass unterschiedliche Designs von GaN-Transistoren Anforderungen hinsichtlich höherer Frequenzen und Wirkungsgrade erfüllen. Dadurch lässt sich die Größe der Netzteile in verschiedensten Systemen reduzieren – von Smartphones über Laptops bis hin zu Racks in Rechenzentren.

Die Technologie ermöglicht sogar drahtlose Stromversorgungsfunktionen und damit Drahtlos-Ladesysteme, die Kabel überflüssig machen. All diese neuen Anwendungsbereiche tragen zur zunehmenden Beliebtheit von GaN bei. Bei Transistoren vom Anreicherungstyp kann die Slew-Rate (Flankensteilheit) allein durch Anpassung des Gate-Widerstands gesteuert werden. Das reduziert die durch schnelles Schalten verursachten elektromagnetische Interferenzen (EMI) und erlaubt eine deutliche Reduzierung der Größe von Motorsteuerungs-Anwendungen.

eMobility und GaN

Fahrzeuge mit Hybrid- und Elektroantrieb stellen hohe Anforderungen in Bezug auf die Leistungswandlung. Ein typischer Antrieb kann Leistungen von 100 kW schalten. Ein konventioneller Wandler auf Silizium-Basis erreicht dabei einen Wirkungsgrad von 95 %. GaN-Wandler dagegen bieten Wirkungsgrade von 98 oder sogar 99 % über eine größere Bandbreite an Betriebslasten. Das mag gering erscheinen. Bei einem Silizium-Design entsteht jedoch ein Energieverlust von etwa 5 kW – im Vergleich zu gerade einmal 1 kW bei einem vergleichbaren GaN-Design. Diese Differenz ist vor allem für das Wärmemanagement enorm, wenn es darum geht, das Gewicht von Kühlkörpern zu reduzieren oder diese gar überflüssig zu machen. Die Verlustleistung wird um bis zu 300 % reduziert, sodass es möglich ist, Motoren mit Luft zu kühlen, statt auf Kühlkomponenten angewiesen zu sein. Das spielt besonders dann eine entscheidende Rolle, wenn der Wirkungsgrad von Silizium-Wandlern bei geringeren Lasten auf 70 % sinkt, während GaN-Geräte immerhin 90 % erreichen.

Zahlreiche Halbleiter-Hersteller entwickeln GaN-Technologie für Leistungswandler – von etablierten globalen Anbietern wie ST Microelectronics und Panasonic bis hin zu Start-ups wie GaN Systems. Der wesentliche Vorteil von GaN ist sein Wirkungsgrad bei der Leistungswandlung. Doch um die Technologie zu verbreiten, galt es, die nötigen Voraussetzungen zu schaffen. So mussten die kontinuierliche Zuverlässigkeit demonstriert und SPICE-Modelle sowie Designleitfäden zur Verfügung gestellt werden, um Entwickler bei der Nutzung der neuen Bauelemente zu unterstützen.

GaN hat nicht nur einen sehr viel größeren Bandabstand als Silizium, sondern verfügt auch über eine höhere Durchschlagspannung. Damit eignen sich GaN-Transistoren für Designs mit Spannungen von bis zu 650 V oder 700 V. Ihre geringere Größe im Vergleich zu Silizium-MOSFETs oder -IGBTs trägt dazu bei, die parasitäre Kapazität zu reduzieren, was wiederum die Schaltgeschwindigkeit optimiert.

Diese niedrige parasitäre Kapazität in Kombination mit der Hochgeschwindigkeitsschaltung und der Unterstützung hoher Spannungswerte ermöglicht die Nutzung kleinerer Komponenten wie Transformatoren und Induktoren. Auch Leistungswandler werden dadurch kompakter und effizienter, sodass Ladegeräte für Mobiltelefone und Laptops kaum größer sind als normale Netzstecker. Für diese hohe Leistung benötigen die Geräte spezielle Controller oder Gate-Treiber.

Abbildung 1: Evaluationsboard fĂĽr den X-GaN 600-V-Leistungstransistor von Panasonic

Panasonic hat mit der Massenproduktion seines X-GaN 600-V-Anreicherungstyp-Transistors und des Hochgeschwindigkeits-Gate-Treibers begonnen. Die Transistoren werden mit Frequenzen von bis zu 4 MHz (geeignet für Stromversorgungs-Designs) getrieben. Die integrierte aktive Miller-Klemmenfunktion verhindert Probleme beim schnellen Schalten. Zu den Einsatzbereichen zählen Stromversorgungsanwendungen im Bereich von 100 W bis 5 kW wie Umrichter für Solarzellen, Racks in Rechenzentren und Stromquellen für mobile Basisstationen sowie audiovisuelle und medizinische Geräte.

Abbildung 2: GaN-E-HEMT-Bauteile von GaN Systems

GaN Systems hat eine eigene Prozesstechnologie sowie Gerätedesigns und Gehäuse entwickelt, die Bonddrähte überflüssig machen. Das Ergebnis sind ICs mit höherer Zuverlässigkeit und kleineren Gehäusen. Die Kombination der proprietären Island-Technologie mit einem GaNPX-Gehäuse unterstützt Stromstärken von mehreren Hundert Ampere und ermöglicht den Einsatz kleinerer Kühlkörper oder Lüfter. Entsprechende Geräte verfügen über einen positiven Temperaturkoeffizienten, wodurch der Stromfluss bei steigenden Temperaturen eingeschränkt wird – ideal für Hochstrom-Multi-Chip-IC-Produkte.

Die Island-Struktur bringt zwei entscheidende Vorteile mit sich: Zum einen werden Größe und Kosten von GaN-Geräten reduziert. Zum anderen wird ein Großteil des Stroms vom Metall auf dem Chip auf einen separaten Träger übertragen. GaN Systems hat ein hocheffizientes brückenloses 3-kW-Totem-Pole-Referenzdesign (BTP-Design) mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC) entwickelt. GaN-E-HEMT-Komponenten können Eingangsleistungen von 176 V bis 264 V in eine Ausgangsleistung von 400 V umwandeln. Die BTP-PFC-Architektur ist nicht neu, sondern schon viele Jahre als effiziente Wandlertopologie bekannt. Doch erst die höhere Leistung durch den Einsatz von GaN-Transistoren ermöglicht eine praktische Umsetzung.

PFC mit GaN-Technologie

Eine konventionelle PFC-Schaltung besteht aus einem Vollbrückengleichrichter und einem Aufwärts-Vorregler, wobei die größten Systemverluste in der Diodenbrücke auftreten und sich auch bei Nullspannungs-Schaltung auf der Aufwärts-Stufe nicht verhindern lassen. Der Spitzen-Wirkungsgrad der konventionellen PFC-Stufe wird dadurch zwangsläufig eingeschränkt.

Eine solide geplante PFC-Stufe kann einen Wirkungsgrad von 97 oder 98 % erreichen. Mehr ist für eine normale PFC aufgrund des unvermeidlichen Verlusts durch die Diodenbrücke jedoch kaum möglich. Der Standard „80 PLUS Titanium“ fordert bei halber Last einen Wirkungsgrad von 94 % auf der Niederspannungsleitung und 96 % auf der Hochspannungsleitung. Da ein typischer DC/DC-Wandler über einen Wirkungsgrad von 97,5 % verfügt, muss der Wirkungsgrad der PFC-Stufe höher als 98,5 % sein, um diese Vorgabe zu erfüllen. Eine brückenlose PFC kommt ohne Dioden aus. Die entsprechenden Verluste werden verhindert, wodurch Wirkungsgrade von 99 % oder höher möglich sind.

BTP-PFC ist kein neues Konzept, seine Einsatzbereiche waren jedoch bisher stark eingeschränkt. Die größte Herausforderung ist die mangelhafte Leistung bei der Rückwärtserholung konventioneller Silizium-MOSFETs mit Halbbrückenkonfiguration. GaN-Geräte benötigen keine Body-Diode, und der Hochfrequenzbetrieb ermöglicht eine harte Schaltung in der Halbbrücken-Leistungsstufe.

Das dazugehörige Evaluationsboard umfasst drei Hauptbestandteile: eine 3,3-V-PFC-Controller-Tochterplatine, eine 5-V-GaN-Halbbrücken-Tochterplatine und die Hauptplatine. Die Hauptplatine beinhaltet einen EMI-Filter, eine Startup-Schaltung, Silizium-Netzfrequenz-MOSFETs und deren Gate-Drive-Schaltungen sowie Spannungs- und Strommessungsschaltungen. Die PFC-Controller-Tochterplatine verfügt über Pins zur Erfassung von Stromstärke, Eingangsspannung und Ausgangsspannung sowie vier pulsbreitenmodulierte Ausgänge (PWM) – zwei zur GaN-Halbbrücke und zwei zu den Silizium-Netzfrequenz-MOSFETs.

Die Kombination aus hoher Frequenz und Leistung der GaN-Technologie eignet sich für drahtlose Aufladesysteme. Standards wie die der AirFuel Alliance erfordern Schaltfrequenzen von 6,78 MHz und 13,56 MHz – mit Silizium-MOSFETs schwer zu erreichen. GaN-Geräte dagegen ermöglichen diese hohe Schaltfrequenz. Gleichzeitig sind sie so klein, dass die drahtlosen Ladegeräte in kleine 700-W-Einheiten für Laptops passen. Außerdem ermöglicht die Technologie das drahtlose Aufladen bei höheren Nennleistungen von 3 kW, 7 kW und 11 kW für Elektrofahrzeuge.

 


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