Hochspannungs-GaN-Transistoren Mit schnellen Schaltvorgängen eine effiziente Wirkung erzielen

Anbieter zum Thema

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Bei Energieeffizienz und Miniaturisierung stoßen traditionelle Silizium-Bauelemente an ihre Grenzen. Galliumnitrid-Transistoren, insbesondere die High Electron Mobility Transistoren, stellen eine revolutionäre Alternative dar. Durch Leistungsfähigkeit und Effizienz ermöglichen sie neue Dimensionen in der Leistungselektronik.

Der HEMT (High Electron Mobility Transistor, Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit) ist ein relativ neues Bauelement im Bereich der kommerziell gefertigten Leistungsschalter. Im Gegensatz zu ihren herkömmlichen Pendants aus Silizium handelt es sich bei HEMTs um Bauelemente mit Heteroübergang, die aus zwei Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen Bandlückenspannungen bestehen. Die in den späten 1990er und frühen 2000er Jahren erstmals vorgestellten HEMTs nutzen ein einzigartiges Banddiagramm, das zu einem konzeptionellen Gas von Majoritätselektronenträgern innerhalb des undotierten Materials mit niedriger Bandlücke führt. Die daraus resultierende Struktur ermöglicht den Betrieb bei sehr hohen Frequenzen, da es keine streuenden Dotieratome gibt. Die genauen Eigenschaften des HEMT hängen von den Materialien ab, aus denen er besteht. Sie können entweder an Anwendungen mit höheren Frequenzen oder höherer Leistungsaufnahme angepasst werden. Die in Bild 1 dargestellten Galliumnitrid-HEMTs (GaN) eignen sich aufgrund ihres extrem niedrigen Einschaltwiderstands besonders gut für Spannungswandleranwendungen und andere Schaltungstopologien mit hoher Leistung.

In extrem hochleistungsfähigen Anwendungen, insbesondere bei niedrigen Frequenzen, kamen in der Vergangenheit üblicherweise Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) zum Einsatz. In jüngster Zeit haben sich hier Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC) durchgesetzt, die zunehmend hohe Schaltfrequenzen bis zur Megahertz-Grenze bieten. Wie Bild 2 zeigt, sind High Electron Mobility Transistoren die effizienteste Lösung, wenn eine noch höhere Schaltgeschwindigkeit bei moderaten Leistungen unter 1000 VA erforderlich ist. Einige gängige Beispiele für diese Anforderung sind Stromversorgungen für Server in Rechenzentren, Netzteile für Verbraucheranwendungen, 48-V-DC/DC-Wandler für Kraftfahrzeuge und LiDAR-Lasertreiber.

Bildergalerie

Bildergalerie mit 6 Bildern

Zu den größten Herausforderungen im Hinblick auf die breite Einführung und Massenproduktion von GaN-HEMTs gehörten in den letzten zwei Jahrzehnten die Schwierigkeiten im Zusammenhang mit dem Design von Gate-Treibern. Die komplexen Schaltungsanforderungen und die damit verbundenen Probleme der Zuverlässigkeit erforderten eine Lösung, bevor GaN-HEMTs auf dem Markt Fuß fassen konnten. Rohm löste diese Herausforderungen, indem das Unternehmen eine spezielle Gate-Treiber-Chipserie anbot, um das Design der Schaltungen zu vereinfachen und höchste Leistungsfähigkeit zu gewährleisten. Mit diesen Entwicklungen konnten sich die GaN-HEMTs von Rohm im Markt etablieren. Außerdem wurden die Weichen für Bauelemente mit noch höheren Spannungen gestellt.

Anwendungen für GaN-HEMTs

Der bevorzugte Einsatzbereich von GaN-HEMTs ist durch sehr hohe Schaltfrequenzen und moderat hohe Leistungspegel gekennzeichnet. Diese Kombination führt zu sehr spezifischen Anwendungsbereichen, die jeden Tag an Bedeutung gewinnen und einen entsprechenden Marktanteil in der Elektronikindustrie erobern. Drei der häufigsten Beispiele sind Motorleistungsschaltungen, gepulste LiDAR-Lasertreiber und HF-Ausgangsstufen.

Motorsteuerungen bestehen in der Regel aus einer Reihe von Spannungswandlern. Wie in Bild 3 dargestellt, wird eine Wechselstromquelle zunächst in eine Gleichstromquelle mit hoher Spannung umgewandelt und dann wieder in eine Reihe von Wechselstromsignalen mit variabler Frequenz oder variabler Spannung zurückgewandelt, um den Motor selbst zu steuern. In einem Elektrofahrzeug könnte der Hochspannungs-Gleichstrombus direkt verwendet werden.

Die endgültige DC/AC-Ausgangsstufe ist eine ideale Anwendung für GaN-HEMTs, da die Schaltfrequenz zwischen 40 kHz und 100 kHz liegen kann und die Lastströme erheblich sein können. Im Vergleich zu anderen Technologien wie Silizium-MOSFETs und IGBTs sind GaN-HEMTs effizienter, kompakter und im Allgemeinen kostengünstiger zu implementieren.

Eine weitere Anwendung für GaN-HEMTs ist die Lasertreiberstufe für LiDAR-Systeme, insbesondere für den Einsatz im Bereich des autonomen Fahrens. Um Lichtpulse für LiDAR zu erzeugen, müssen diese Laser durch einen Halbleiterschalter angesteuert werden. Die Qualität des Schalters wirkt sich direkt auf die Auflösung des LiDAR-Bildes aus und wird in der Regel durch die Einschaltzeit, den Spitzenstrom und den Schaltverlust charakterisiert. Im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Bauelementen zeichnen sich GaN-HEMT-Schalter durch extrem hohe Geschwindigkeiten und eine bis zu 65 Prozent geringere Verlustleistung aus. Dies führt zu einer höheren LiDAR-Leistung in Bezug auf die Bildqualität bei gleichzeitiger Verbesserung der Effizienz und thermischen Komplexität.

Der Markt für GaN-Bauelemente in HF-Anwendungen wird vor allem durch Radaranwendungen und die Entwicklung gemeinsamer Elektronik und Antennen angeführt. Radaranwendungen werden üblicherweise mit einer Hochleistungs-Breitband-Wanderfeldröhre (Traveling Wave Tube, TWT) realisiert. GaN-HEMTs ersetzen diese unzuverlässigen Bauelemente mit kurzer Lebensdauer durch die Verwendung von gepulsten HF-Signalen. Wie bei den vorangegangenen Beispielen bietet die GaN-HEMT-Lösung eine höhere Zuverlässigkeit, einen besseren Wirkungsgrad und ein besseres Hochfrequenzverhalten.

Diskrete Hochspannungs-GaN-HEMTs

Die Fähigkeit, hohe Spannungen zu schalten, ist sowohl für die Größe des Bauelements als auch für die Effizienz entscheidend. Bei gleicher Leistung führt eine höhere Spannungstoleranz zu einem geringeren Strom, was wiederum die Einschaltverluste reduziert und die Bauelementgröße minimiert. Insgesamt werden die HEMTs mit höherer Spannung in einer größeren Vielfalt von Stromversorgungs-Topologien eingesetzt und bieten Wettbewerbsvorteile hinsichtlich Größe und Leistung. Zu diesem Zweck hat Rohm die Spannungsfähigkeit seiner HEMTs weiterentwickelt, um diskrete GaN-Bauelemente bis zu 650 V anzubieten. Das Unternehmen plant, in den nächsten vier bis fünf Jahren ein breites Portfolio einzuführen. Diese Hochspannungstransistoren gewährleisten einen geringeren Einschaltwiderstand und kompakte, designfreundliche DFN-Gehäuse. Sie zeichnen sich alle durch eine hohe Drain-Source-Spannungstoleranz von 650 V sowie extrem schnelle Schaltzeiten aus und benötigen keine Erholungszeit.

Die GaN-Bauelemente von Rohm verfügen in jedem Gehäuse über einen integrierten ESD-Gate-Schutz, der sie äußerst robust macht und gleichzeitig das Design der Gate-Treiberschaltung vereinfacht und die Anzahl der Komponenten minimiert.

HEMT-Leistungsstufen-ICs

Zusätzlich zu den diskreten GaN-HEMTs bietet Rohm spezielle Leistungsstufen-ICs mit integrierten Gate-Treibern. Der Leistungstransistor, die Treiberschaltung, die unterstützende Schaltung, der ESD-Schutz und das EMI-Management werden in einem einzigen Gehäuse integriert. Dies spart nicht nur Platz, sondern verbessert auch den Wirkungsgrad und die Immunität gegen Umwelteinflüsse, einschließlich der thermischen Robustheit.

Die Leistungsstufen-ICs BM3G015MUV-LB und BM3G007MUV-LB sind die Flaggschiffe im Produktportfolio. Sie zeichnen sich durch einen weiten Eingangsspannungsbereich von 2,5 V bis 30 V, eine sehr niedrige Laufzeitverzögerung von 15 ns, eine einstellbare Anstiegsrate und einen niedrigen Ruhestrom aus. Diese Bauelemente eignen sich insbesondere für eine Vielzahl von Stromversorgungs-Schalttopologien, einschließlich Flyback, LLC, Interleaved PFC und Totem-Pole PFC. Wie in Bild 5 dargestellt, kann die Schaltung mit einem einzigen externen Bauteil realisiert werden und erhöht die Spannungsleistung bei gleichzeitiger Minimierung des Volumens. Dies verbessert auch die thermische Leistung, da der Entwickler die Leiterplatte mit größerer Freiheit optimieren kann. Bei gängigen Stromversorgungsdesigns wurden Steigerungen von bis zu 20 Prozent bei der Gesamtausgangsleistung erzielt.

System-in-Package-HEMTs

Ähnlich wie bei den Leistungsstufen-ICs integrieren die System-in-Package-Produkte (SiP) von Rohm mehrere Teile eines komplexen Systems. Ziel ist es, die Anzahl der Bauteile zu reduzieren, das Design zu vereinfachen und die Funktionalität zu verbessern. SiPs sind in der Regel anwendungsspezifisch und enthalten Bauteile, die für eine bestimmte Designtopologie ausgewählt und optimiert wurden. Rohm entwickelt zum Beispiel mehrere Hochspannungs-GaN-SiPs für Flyback-Spannungswandler (BM3GQ12A3MUV-LB und BM3GQ12A2MUV-LB) sowie PFC-Stromversorgungen (BM3GF01MUV-LB und BM3GF02MUV-LB). Diese SiPs integrieren einen Leistungs-GaN-HEMT, Gate-Treiber, Messwiderstände, unterstützende Verstärker und LDOs sowie eine Vielzahl anderer Steuer- und Hilfsfunktionen. Auch hier gilt, dass die verringerte Anzahl der diskreten Bauteile die Freiheit zur Optimierung der thermischen Leistung der Leiterplatte erhöht, was wiederum die Gesamtleistung des Systems steigert.

Fazit

Die jüngsten Fortschritte bei den EcoGaN-Transistoren von Rohm haben zu einem breiten Portfolio von Leistungs-HEMTs für zukünftige Entwicklungen geführt. Von diskreten 650-V-Transistoren bis hin zu komplexen Leistungsstufen- und SiP-Produkten hat Rohm eine Grundlage für den Einsatz von HEMTs in der gesamten Bandbreite von Hochfrequenz-Leistungsanwendungen geschaffen. Die 650-V-GaN-HEMTs von ROHM haben die branchenweit höchste FOM (Figure of Merit) erreicht. Sie bieten im Vergleich zu konventionellen GaN-Bauelementen eine erhebliche Reduzierung der Schaltverluste und erhöhen die Effizienz von Stromversorgungen.

Rohm hat für seine GaN-Bauelemente eine vertikal integrierte Fertigungslösung entwickelt, die mit der Herstellung der Roh-Wafer beginnt und mit der Konfektionierung des Endprodukts endet. Dies garantiert ein Höchstmaß an Qualität und sorgt gleichzeitig für eine stabile und sichere Lieferkette.  (mr)

* Kengo Ohmori ist Technischer Produktmarketing-Manager GaN & SiC bei ROHM Semiconductor.

(ID:50047096)