Der Siegeszug von Galliumnitrid

 

Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics

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

Dank seines breiten BandlĂŒcke eignet sich GaN fĂŒr Highspeed-Anwendungen bei 60/70 GHz. Die Technologie wurde ursprĂŒnglich fĂŒr Mikrowellen-Kommunikationsanwendungen genutzt, als GerĂ€te von Anbietern wie Wolfspeed (ein Unternehmen von Cree) auf den Markt kamen. Forscher der UniversitĂ€t Bristol arbeiten derzeit an HEMTs (High Electron Mobility Transistors) aus GaN auf einem Diamantsubstrat, die als Grundlage fĂŒr 5G- und 6G-Mobilfunknetze der nĂ€chsten Generation dienen sollen. 

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

Mehr Applikationsfelder - sinkende Kosten

Durch den zunehmenden Einsatz sind die Herstellungskosten fĂŒr GaN zwar bereits gesunken, die Gewinnmargen sind allerdings weiterhin niedriger als bei Silizium, was sich im Preis fĂŒr GaN-Produkte niederschlĂ€gt. (Mit der Zeit wird die Technologie allerdings rentabler, und die entsprechenden AufschlĂ€ge sinken.) Der Boom auf dem Elektrofahrzeugmarkt eröffnet weitere Möglichkeiten fĂŒr die Technologie im Bereich der Energieversorgung. Hinzu kommt, dass unterschiedliche Designs von GaN-Transistoren Anforderungen hinsichtlich höherer Frequenzen und Wirkungsgrade erfĂŒllen. Dadurch lĂ€sst sich die GrĂ¶ĂŸe der Netzteile in verschiedensten Systemen reduzieren – von Smartphones ĂŒber Laptops bis hin zu Racks in Rechenzentren.

Die Technologie ermöglicht sogar drahtlose Stromversorgungsfunktionen und damit Drahtlos-Ladesysteme, die Kabel ĂŒberflĂŒssig 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 GrĂ¶ĂŸe 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 % ĂŒber eine grĂ¶ĂŸere 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 fĂŒr das WĂ€rmemanagement enorm, wenn es darum geht, das Gewicht von KĂŒhlkörpern zu reduzieren oder diese gar ĂŒberflĂŒssig zu machen. Die Verlustleistung wird um bis zu 300 % reduziert, sodass es möglich ist, Motoren mit Luft zu kĂŒhlen, statt auf KĂŒhlkomponenten angewiesen zu sein. Das spielt besonders dann eine entscheidende Rolle, wenn der Wirkungsgrad von Silizium-Wandlern bei geringeren Lasten auf 70 % sinkt, wĂ€hrend GaN-GerĂ€te immerhin 90 % erreichen.

Zahlreiche Halbleiter-Hersteller entwickeln GaN-Technologie fĂŒr 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 ZuverlĂ€ssigkeit demonstriert und SPICE-Modelle sowie DesignleitfĂ€den zur VerfĂŒgung gestellt werden, um Entwickler bei der Nutzung der neuen Bauelemente zu unterstĂŒtzen.

GaN hat nicht nur einen sehr viel grĂ¶ĂŸeren Bandabstand als Silizium, sondern verfĂŒgt auch ĂŒber eine höhere Durchschlagspannung. Damit eignen sich GaN-Transistoren fĂŒr Designs mit Spannungen von bis zu 650 V oder 700 V. Ihre geringere GrĂ¶ĂŸe im Vergleich zu Silizium-MOSFETs oder -IGBTs trĂ€gt dazu bei, die parasitĂ€re KapazitĂ€t zu reduzieren, was wiederum die Schaltgeschwindigkeit optimiert.

Diese niedrige parasitĂ€re KapazitĂ€t in Kombination mit der Hochgeschwindigkeitsschaltung und der UnterstĂŒtzung hoher Spannungswerte ermöglicht die Nutzung kleinerer Komponenten wie Transformatoren und Induktoren. Auch Leistungswandler werden dadurch kompakter und effizienter, sodass LadegerĂ€te fĂŒr Mobiltelefone und Laptops kaum grĂ¶ĂŸer sind als normale Netzstecker. FĂŒr diese hohe Leistung benötigen die GerĂ€te spezielle Controller oder Gate-Treiber.

Abbildung 1: Evaluationsboard fĂŒr 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 fĂŒr Stromversorgungs-Designs) getrieben. Die integrierte aktive Miller-Klemmenfunktion verhindert Probleme beim schnellen Schalten. Zu den Einsatzbereichen zĂ€hlen Stromversorgungsanwendungen im Bereich von 100 W bis 5 kW wie Umrichter fĂŒr Solarzellen, Racks in Rechenzentren und Stromquellen fĂŒr mobile Basisstationen sowie audiovisuelle und medizinische GerĂ€te.

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

GaN Systems hat eine eigene Prozesstechnologie sowie GerĂ€tedesigns und GehĂ€use entwickelt, die BonddrĂ€hte ĂŒberflĂŒssig machen. Das Ergebnis sind ICs mit höherer ZuverlĂ€ssigkeit und kleineren GehĂ€usen. Die Kombination der proprietĂ€ren Island-Technologie mit einem GaNPX-GehĂ€use unterstĂŒtzt StromstĂ€rken von mehreren Hundert Ampere und ermöglicht den Einsatz kleinerer KĂŒhlkörper oder LĂŒfter. Entsprechende GerĂ€te verfĂŒgen ĂŒber einen positiven Temperaturkoeffizienten, wodurch der Stromfluss bei steigenden Temperaturen eingeschrĂ€nkt wird – ideal fĂŒr Hochstrom-Multi-Chip-IC-Produkte.

Die Island-Struktur bringt zwei entscheidende Vorteile mit sich: Zum einen werden GrĂ¶ĂŸe und Kosten von GaN-GerĂ€ten reduziert. Zum anderen wird ein Großteil des Stroms vom Metall auf dem Chip auf einen separaten TrĂ€ger ĂŒbertragen. GaN Systems hat ein hocheffizientes brĂŒckenloses 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 VollbrĂŒckengleichrichter und einem AufwĂ€rts-Vorregler, wobei die grĂ¶ĂŸten Systemverluste in der DiodenbrĂŒcke auftreten und sich auch bei Nullspannungs-Schaltung auf der AufwĂ€rts-Stufe nicht verhindern lassen. Der Spitzen-Wirkungsgrad der konventionellen PFC-Stufe wird dadurch zwangslĂ€ufig eingeschrĂ€nkt.

Eine solide geplante PFC-Stufe kann einen Wirkungsgrad von 97 oder 98 % erreichen. Mehr ist fĂŒr eine normale PFC aufgrund des unvermeidlichen Verlusts durch die DiodenbrĂŒcke 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 ĂŒber einen Wirkungsgrad von 97,5 % verfĂŒgt, muss der Wirkungsgrad der PFC-Stufe höher als 98,5 % sein, um diese Vorgabe zu erfĂŒllen. Eine brĂŒckenlose 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 eingeschrĂ€nkt. Die grĂ¶ĂŸte Herausforderung ist die mangelhafte Leistung bei der RĂŒckwĂ€rtserholung konventioneller Silizium-MOSFETs mit HalbbrĂŒckenkonfiguration. GaN-GerĂ€te benötigen keine Body-Diode, und der Hochfrequenzbetrieb ermöglicht eine harte Schaltung in der HalbbrĂŒcken-Leistungsstufe.

Das dazugehörige Evaluationsboard umfasst drei Hauptbestandteile: eine 3,3-V-PFC-Controller-Tochterplatine, eine 5-V-GaN-HalbbrĂŒcken-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 verfĂŒgt ĂŒber Pins zur Erfassung von StromstĂ€rke, Eingangsspannung und Ausgangsspannung sowie vier pulsbreitenmodulierte AusgĂ€nge (PWM) – zwei zur GaN-HalbbrĂŒcke und zwei zu den Silizium-Netzfrequenz-MOSFETs.

Die Kombination aus hoher Frequenz und Leistung der GaN-Technologie eignet sich fĂŒr 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-GerĂ€te dagegen ermöglichen diese hohe Schaltfrequenz. Gleichzeitig sind sie so klein, dass die drahtlosen LadegerĂ€te in kleine 700-W-Einheiten fĂŒr Laptops passen. Außerdem ermöglicht die Technologie das drahtlose Aufladen bei höheren Nennleistungen von 3 kW, 7 kW und 11 kW fĂŒr Elektrofahrzeuge.

 


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