Wie bidirektionale GaN-Schalter das Power Management verändern
Autoren: Thomas Zhao, David Zhou, Felix Wang, Dr. Jan Šonský; alle Innoscience
Hochleistungsfähige und kostengünstige GaN-auf-Si-Bauelemente haben die Entwicklung von BiGaN ermöglicht. Damit lassen sich die Schaltkreise in Smartphones verbessern, die mit mehreren Stromquellen betrieben werden. Hinzu kommen High-Side-Lastschalter, Überspannungsschutz an USB-Anschlüssen und ähnliche Anwendungen. BiGaN ist zuverlässig und einfach einsetzbar. In Smartphones unterstützt es schnelles Aufladen bei geringerem Temperaturanstieg im Vergleich zu Lösungen mit Back-to-Back-Si-MOSFETs. Darüber hinaus ermöglicht die geringe Größe beim Einsatz von BiGaN die Integration der Bauelemente in das Smartphone anstelle des Ladegeräts, um die Lade- und Entladeströme der Batterie zu steuern. Durch die Auslagerung dieser Funktion lassen sich kleinere Ladegeräte entwickeln. BiGaN ist daher eine bahnbrechende Entwicklung, die neue Designparadigmen ermöglicht.
Bidirektionale Spannungsblockierung und Stromleitung ist eine wichtige Funktion beim Überspannungsschutz von USB-Anschlüssen, bei High-Side-Lastschaltern und in Schaltkreisen für Geräte, die mit mehreren Stromquellen betrieben werden. Bisher konnten Entwickler nur zwei MOSFETs vom Typ n verwenden, die Back-to-Back in einer Konfiguration mit gemeinsamer Source geschaltet sind. (Bild 1). Eine solche Lösung erfordert zwei Bauelemente und zeigt Einschränkungen in Bezug auf den Durchlasswiderstand (RDS(on)), den sicheren Betriebsbereich (SOA; Safe Operating Area) und andere Parameter. Der bidirektionale Galliumnitrid-Schalter (BiGaN) von Innoscience ist eine neue Lösung, mit der sich die Verlustleistung und der Platzbedarf deutlich verringern. Dieser Beitrag stellt die BiGaN-Struktur vor, gibt einen Überblick über die Leistungsfähigkeit von BiGaN-Bauelementen und geht näher auf verschiedene Treiberkonfigurationen ein.
Die Integrationsbeschränkungen bei MOSFETs sind hauptsächlich auf ihre vertikale Struktur zurückzuführen, die es schwierig macht, zwei FETs auf einem Chip mit optimierten Kosten, niedrigem RDS(on) und Nennspannungen für 30 V und mehr zu platzieren. Die lateralen Strukturen von GaN-Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMTs) und das Fehlen einer parasitären Body-Diode machen es einfach, einen monolithischen bidirektionalen GaN-Schalter herzustellen.
In einem Smartphone reduziert der Austausch von Back-to-Back-MOSFETs durch einen BiGaN-HEMT den Durchlasswiderstand um 50%, die Chipgröße um 70% und der Temperaturanstieg um 40%. Wie wird das erreicht?
Weniger Verluste, geringerer Platzbedarf
Ein Überspannungsschutzschalter (OVP) im Batterie-Managementsystem eines Smartphones wird durch den Wunsch vorangetrieben, die Gesamtverluste auf einen möglichst geringen Platzbedarf zu reduzieren. In diesem Anwendungsfall sperrt der Leistungsschalter entweder die Spannung oder den Strom, ohne dass häufig zwischen diesen beiden Zuständen umgeschaltet werden muss. Die durch die Gate-Ladung bestimmten Schaltverluste spielen daher keine Rolle. Die Gesamtverluste werden nur durch die Leitungsverluste und damit den Durchlasswiderstand des Bauelements bestimmt.
Traditionell wird die OVP mit diskreten Back-to-Back-MOSFETs realisiert. Innoscience bietet nun seine neue BiGaN-Technologie an, die nur geringfügig größer ist als ein typischer einzelner GaN-HEMT. Sie hat einen deutlich geringeren Durchlasswiderstand und ist kleiner als eine Lösung mit zwei diskreten Bauelementen in einer Konfiguration als bidirektionaler Schalter.
Bei einem herkömmlichen MOSFET ist der RDS(on) der Widerstand zwischen Drain und Source, wenn das Bauelement vollständig eingeschaltet ist. Der äquivalente Wert eines BiGaN-Bauteils ist RDD(on), also der Widerstand zwischen den beiden Drain-Anschlüssen, wenn das Bauteil vollständig eingeschaltet ist. Für den bidirektionalen 40-V-BiGaN-Schalter INN040W048A mit einem Drain-Strom von 20 A beträgt der maximale RDD(on) nur 4,8 mΩ, was zu sehr geringen Leitungsverlusten führt.
Das Gehäuse leistet einen wichtigen Beitrag zum Durchlasswiderstand. Die laterale Struktur von BiGaN-Bauelementen ermöglicht ein Wafer-Level-Chip-Scale-Gehäuse (WLSCP) mit den Abmessungen von nur 2,1 mm x 2,1 mm x 0,54 mm beim INN040W048A. Dieses Gehäuse hat einen minimalen parasitären Widerstand, was zu geringeren Leitungsverlusten und weniger Wärmeableitung beiträgt. Die kleinere Gehäusegröße führt auch zu einem ausgezeichneten Wert für On-Widerstand Fläche (RonA), einem wichtigen Faktor bei der Systemminiaturisierung. Außerdem ersetzt ein einziges BiGaN-Bauelement zwei MOSFETs, was ebenfalls zu einer kleineren Lösung und kompakteren Stückliste beiträgt.
Insgesamt können Kunden mit den BiGaN-Bauelementen von Innoscience verschiedene Kompromisse eingehen. Eine Möglichkeit besteht darin, den vorhandenen Platz und die Grundfläche beizubehalten, während der On-Widerstand deutlich reduziert und damit auch der Temperaturanstieg während des Ladevorgangs begrenzt wird. Alternativ dazu ermöglicht BiGaN von Innoscience einen erheblich geringeren Platzbedarf für die OVP-Funktion, während der gute On-Widerstand und damit die Effizienz erhalten bleiben. Bild 2 fasst die Erfolge zusammen, die der INN040W048A beim Batterie-Energiemanagement eines Smartphones ermöglicht.
SOA, Leckströme und Robustheit
SOA ist ein wichtiger Faktor für Lastschalter. Es handelt sich dabei um die Kombinationen aus Spannung und Strom, bei der ein Bauteil ohne Beschädigung oder Leistungsminderung betrieben werden kann. Zu den Faktoren, die SOA einschränken, gehören Ron, Überlegungen zum Gehäuse und thermische Überlegungen. Den SOA eines Si-MOSFET zu verbessern ist aufgrund des negativen Temperaturkoeffizienten der Schwellenspannung (Uth) eine Herausforderung. Aufgrund der geringeren Temperaturabhängigkeit von Uth in GaN-Bauelementen kann BiGaN auch bei hohen Temperaturen eine bessere SOA erzielen.
Der Gate-Leckstrom ist eine weitere Spezifikation bei der bidirektionalen Spannungsblockierung. Si-MOSFETs haben sehr geringe Gate-Leckströme. Bei ihnen ist das Gate durch ein Gate-Oxid vom Kanal isoliert, was zu einem Leckstrom im Sub-μA-Bereich bei 25 °C führt. Da Uth von Si-MOSFETs bei höheren Temperaturen abnimmt, steigt der Leckstrom entsprechend an.
BiGaN-Bauelemente haben von sich aus eine andere Gate-Struktur, die sich zwei Back-to-Back-Dioden darstellen lässt (Bild 4). Die obere Diode ist eine Schottky-Struktur mit dem Gate-Metall als Kathode und pGaN als Anode. Die untere Diode ist eine Sperrschichtstruktur mit einer pGaN-Anode und einer AlGaN-Kathode. Ohne entsprechende Steuerung wäre der Gate-Leckstrom eines BiGaN-Bauteils höher als der eines Si-MOSFET. Das Forschungs- und Entwicklungsteam von Innoscience hat differenzierte Prozessschritte und Prozesssteuerungen entwickelt, um sicherzustellen, dass der Gate-Leckstrom während der gesamten Lebensdauer des Bauelements bei 85 °C weniger als 3 μA beträgt. Dies war eine entscheidende Voraussetzung für den Einsatz in Smartphones.
Von allen Leistungsschaltern wird ein robuster Gate- und Drain-Betrieb erwartet. Bei 5 V (UGD) und 125 °C beträgt die Lebensdauer von BiGaN-Bauelementen unter Dauerbelastung auf der Grundlage einer Ausfallrate von 0,001% (10 ppm) mehr als 23 Jahre. In realen Anwendungen können Gate-Spannungsspitzen durch Ereignisse wie Kurzschlüsse auftreten. Die Gate-Impulsfähigkeit von BiGaN-Bauelementen beträgt 10 Mio. Zyklen bei ≤8,5 V mit einer Pulsbreite von 1 µs bei 25 und 85 °C und 100.000 Zyklen bei 9,5 V und 85 °C.
Zur Messung der Drain-Robustheit wurde der INN040W048A einer Dauerbelastung von 68, 69 und 70 V bei 125 °C ausgesetzt. Der zeitabhängige dielektrische Drain-Durchbruch (TDDB) folgt der Weibull-Verteilung. Er zeigt unter dem konservativsten Ansatz für die TDDB-Modellierung, dass bei 32 V (UDD) und 125 °C die Lebensdauer bei einer Ausfallrate von 0,001% (10 ppm) für BiGaN mehr als 10.000 Jahre beträgt.
BiGaN ansteuern
Beträgt die Ansteuerspannung 5 V, können bestehende Treiber mit Back-to-Back-Si-MOSFETs auch mit BiGaN verwendet werden. Im Falle von Smartphones sind die meisten Lade-ICs mit GaN-HEMTs zu einer 5-V-Gate-Ansteuerung kompatibel. Treiber wie der SC8571 von Southchip, der NU2205 von NuVolta Tech, Schaltkondensatortreiber von Texas Instruments und Power-Management-ICs (PMICs) von Qualcomm eignen sich für den Betrieb mit BiGaN.
Die Gate-Spannung muss mindestens Uth (~1,7 V) über Drain1 oder Drain2 liegen, um ein BiGaN-Bauelement einzuschalten. Um es auszuschalten und den Stromfluss in beide Richtungen zu blockieren, müssen beide Gate-Drain-Spannungen (UGD1 und UGD2) unter Uth liegen. Ein BiGaN-Bauelement wird ausgeschaltet, wenn die Gate-Spannung auf Masse gezogen wird. In 5-V-Anwendungen kann eine Ladungspumpe zur Ansteuerung von BiGaN verwendet werden (Bild 7). Die Gate-Spannung ist Null, wenn EN Low ist (BiGaN ist ausgeschaltet). Ist EN High, wird die Gate-Spannung auf UIN +5 V gehoben (BiGaN ist eingeschaltet und UOUT ist gleich UIN).
In anderen Anwendungen als Smartphones werden 5-V-Gate-Treiber in der Regel nicht verwendet. Dort kommen Treiber mit einer Ansteuerspannung von etwa 10 V zum Einsatz, um den niedrigsten RDS(on) von Si-MOSFETs zu erreichen. Diese Treiber eignen sich nicht zur direkten Ansteuerung von GaN-HEMTs, da die Ansteuerspannung den maximalen Nennwert des Gates überschreitet. In diesen Anwendungen kann eine Klemmschaltung mit Zenerdioden (D1 und D2) zum Einsatz kommen, um UGD auf unter 6 V zu klemmen (Bild 8). Die Dioden D4 und D5 haben Durchbruchsspannungen von über 40 V, um eine Drain-zu-Gate-Sperre bereitzustellen.
