Galliumnitrid-Chipset GaN-Kombo reduziert Größe für mehr Leistungsdichte

Von Gerd Kucera

Efficient Power Conversion (EPC) erweitert die ePower-Serie mit einem Chip-Satz, der 100-V-GaN-Treiber und FET mit bis zu 65 A integriert. Ergebnis ist eine höhere Performance bei kleinerer Baugröße für Anwendungen mit hoher Leistungsdichte, einschließlich DC/DC-Wandler und Motorantriebe.

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Der eGaN-IC EPC23101 und eGaN-FET EPC2302 bilden das neue ePower-Chipset, das bei einer maximalen Spannungsfestigkeit von 100 V und mit einem Laststrom bis 65 A bei Schaltgeschwindigkeiten laut EPC bis über 1 MHz einsetzbar ist.
Der eGaN-IC EPC23101 und eGaN-FET EPC2302 bilden das neue ePower-Chipset, das bei einer maximalen Spannungsfestigkeit von 100 V und mit einem Laststrom bis 65 A bei Schaltgeschwindigkeiten laut EPC bis über 1 MHz einsetzbar ist.
(Bild: EPC)

Der unstillbare Appetit der Gesellschaft auf Kommunikation, Datenverarbeitung und Downloads wächst in einem noch nie dagewesenen Tempo und stellt immense Anforderungen an die Stromversorgung, insbesondere an ihre Effizienz. Im gleichen Maße muss die Leistungselektronik selbst und die Architektur der Stromversorgung verbessert werden. Mögliche Lösungen für eine zeitgemäße Energieumwandlung bieten etwa neue Materialien für Leistungshalbleiter. Ergebnisse von Performance-Vergleichen mit Silizium zeigen das. Und deshalb setzt Alex Lidow nicht nur in der Stromversorgung auf Galliumnitrid. Der CEO und Mitbegründer von EPC (Efficient Power Conversion) arbeitet seit langem daran, die Energieumwandlung verlustärmer zu gestalten.

Dabei halfen ihm auch seine mehr als zwanzig Patente in der Technologie der Leistungshalbleiter, einschließlich grundlegender Patente bei Leistungs-MOSFETs sowie GaN-Transistoren und integrierten Schaltkreisen. Zwölf Jahre lang war Lidow der CEO von International Rectifier, bevor er 2007 das Unternehmen EPC in El Segundo gründete. Inzwischen kooperiert er mit mehr als 60 Universitäten, um Entwickler dahingehend zu qualifizieren, das Bestmögliche der GaN-Technologie abzugewinnen, auf die sich die kalifornische EPC konzentriert.

Aus der aktuellen Notwendigkeit heraus präsentiert EPC nun einen weiteren integrierten ePower-Chip-Satz für die Stromwandlung.

Lidow, EPC: „Mit integrierten Bauelementen ist es einfacher zu entwickeln, das Layout wird einfacher und man spart Platz auf der Leiterplatte bei höherer Leistung.
Lidow, EPC: „Mit integrierten Bauelementen ist es einfacher zu entwickeln, das Layout wird einfacher und man spart Platz auf der Leiterplatte bei höherer Leistung.
(Bild: Gerd Kucera)

Dazu Alex Lidow: „Diskrete Leistungstransistoren verabschieden sich. GaN-auf-Silizium-ICs bieten deutlich mehr Performance bei geringerem Platzbedarf als Silizium und einen deutlich reduzierten Entwicklungsaufwand.

Unser ePower-Chip-Satz setzt die PWM-Befehlssignale in Signale mit hoher Spannung und hohem Strom um, die dann in der Lage sind, Lasten anzusteuern. Entwickler können ihn beispielsweise für batteriebetriebene BLDC-Motorantriebe zur Bewegungsautomatisierung nutzen. Auch für 48-V-DC/DC-Wandler in Rechenzentren, zur Datenkommunikation, für die künstliche Intelligenz, für Solar-Laderegler und andere Industrie- und Konsum-Anwendungen ist das Chip-Duo geeignet.“

Der integrierte 100 V/65 A-Chip-Satz im Detail

Der eGaN-IC EPC23101 und eGaN-FET EPC2302 bilden das neue ePower-Chipset, das mit einer maximalen Spannungsfestigkeit von 100 V und einem Laststrom von bis zu 65 A bei Schaltgeschwindigkeiten laut EPC bis über 1 MHz einsetzbar ist. Zu den wesentlichen Merkmalen des EPC23101, der auf EPCs proprietärer GaN-Technologie basiert, gehören ein integrierter High-Side-FET (3,3 mΩ RDS(on)) nebst Gate-Treiber, Eingangslogik-Schnittstelle, Pegelverschiebung, Bootstrap, Gate-Treiber-Puffer und ein Gate-Treiber-Ausgang zum Ansteuern externer Low-Side-eGaN-FETs.

Der eGaN-FET EPC2302 hat einen RDS(on) von 1,8 mΩ sowie kleine QG-, QGD- und QOSS-Werte für geringe Leitungs- und Schaltverluste. Beide Bauelemente besitzen ein thermisch verbessertes QFN-Gehäuse mit freiliegender Oberseite und optimierter Pin-Belegung zwischen ihnen. Das kombinierte Chipset hat zusammen einen Footprint von 7 mm x 5 mm und ist damit eine äußerst kleine Lösung für Anwendungen mit dieser Leistungsdichte.

Beim Betrieb in einem 48 V/12-V-Abwärtswandler erreichen der EPC23101 plus EPC2302 laut Lidow einen Wirkungsgrad von 96% bei 1 MHz Schaltfrequenz (bzw. 97% bei 500 kHz) und 65 A mit einem Temperaturanstieg von unter 50 °C.

Lidow: „Mit integrierten Bauelementen ist es einfacher zu entwickeln, das Layout wird einfacher und man spart Platz auf der Leiterplatte bei höherer Leistung. Das zugehörige Evaluation Board EPC90142 ist eine Halbbrücke mit einer maximalen Chip-Spannung von 100 V und einem maximalen Ausgangsstrom von 65 A. Es ist mit dem ePower-FET EPC23101 und dem eGaN-FET EPC2302 bestückt. Das Board vereinfacht den Evaluierungsprozess des ePower-Chip-Satzes in Leistungsstufen. Es misst 50,8 mm x 50,8 mm, ist für die optimale Schaltleistung ausgelegt und enthält alle wichtigen Komponenten für eine einfache Evaluierung.“

Mit der Markteinführung von Leistungsstufen-ICs der ePower-Reihe will Lidow, wie er sagt, die Leistungswandlung neu definieren, sowohl für die DC/DC-Konverter als auch für Motorantriebe und Klasse-D-Audioendstufen. Der erste Baustein dieser Serie integrierter Leistungsstufen war der EPC2152, der im März 2020 vorgestellt wurde.

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