Wide Bandgap Devices Warum GaN Devices den Silizium-Chips überlegen sind

Von Alex Lidow *

Wann hat eine neue Technologie die letzte Hürde ihrer Einführung genommen? Wenn die Simmenmehrheit den Status quo befürwortet. Die konservative Seite jedoch neigt weiterhin dazu, alte Argumente zu unterstützen, die aber zu schlechten Design-Entscheidungen führen können. Das ist die Meinung von Alex Lidow, Firmenmitgründer der EPC.

Bild 1: Vergleich der Marktpreise für 100-V-GaN-Transistoren und Si-MOSFETs mit ähnlichem Durchlasswiderstand.
Bild 1: Vergleich der Marktpreise für 100-V-GaN-Transistoren und Si-MOSFETs mit ähnlichem Durchlasswiderstand.
(Bild: EPC)

Die Weiterentwicklungen der GaN-Leistungshalbleiter führte in den letzten zwei Jahren zu einem Wendepunkt ihrer Bedeutung. Die Zahl neuer GaN-basierter Designs verdoppelte sich von Jahr zu Jahr, während traditionellen MOSFET-Designs mit ihren wenig flexiblen Lieferketten zu kämpfen hatten. GaN-Bauelemente sind bei den meisten großen Distributoren verfügbar – aufgrund ihrer relativ neuen und flexiblen Lieferketten, die ältere Halbleiter-Foundries zu Fertigungszwecken nutzen. Dies beschert solchen Foundries eine neue und dynamische Zukunft. Nachfolgend befasse ich mich mit fünf gängigen Missverständnissen, die immer noch in Technologieartikeln und auf Fachkonferenzen auftauchen und von Befürwortern des Status quo präsentiert werden. Diese sind Preise und Kosten, thermische Effizienz, Integration, Wirkungsgrad und Leistungsdichte sowie zukünftige Baustein-Generationen.

Preise und Kosten: Die Preise für Low-Voltage-GaN-Bauelemente entsprechen seit einigen Jahren denen der Silizium-MOSFETs. Bild 1 zeigt als Beispiel die Preise für 100-V-GaN-Transistoren von EPC im Vergleich zu gängigen MOSFETs mit ähnlichem On-Widerstand. Die Daten wurden im Februar 2022 erhoben und basieren auf Preisangaben von Distributoren für mittlere Stückzahlen. GaN-Bauelemente sind weder die billigsten noch die teuersten. Dieser Vergleich ignoriert allerdings die Tatsache, dass GaN-Transistoren zehnmal schneller und zehnmal kleiner sind als das Silizium-Pendant und somit ein viel besseres Preis/Leistung-Verhältnis bieten.

Thermische Effizienz: GaN-Transistoren sind viel kleiner als ihre Silizium-Pendants. Dieser Größenunterschied trägt wesentlich zu den niedrigeren Fertigungskosten sowie schnellerem Schalten bei. Eine oft gestellte Frage, die sich aus dieser geringen Größe ergibt, ist, ob es dadurch schwieriger wird, die Wärme abzuleiten. Die Antwort hat zwei Aspekte: Erstens erzeugen GaN-Bauelemente aufgrund ihrer geringeren Leitungs- und Schaltverluste weniger Wärme und zweitens wurden sie so optimiert, dass sie thermisch äußerst effizient sind. Als Beleg vergleicht Bild 2 einen gängigen MOSFET und mehrere vergleichbare eGaN-FETs von EPC. Zu beachten ist, dass alle eGaN-Bauelemente – sogar das im Gehäuse ganz rechts – einen viel geringeren Wärmewiderstand von der Sperrschicht zum Kühlkörper aufweisen, obwohl sie sechs- bis zehnmal kleiner sind.

Bild 2: Vergleich von 80/100-V-GaN- und MOSFET-Bauelementen mit ähnlichem On-Widerstand. Trotz ihrer geringeren Die-Größe sind eGaN-FETs thermisch wesentlich effizienter.
Bild 2: Vergleich von 80/100-V-GaN- und MOSFET-Bauelementen mit ähnlichem On-Widerstand. Trotz ihrer geringeren Die-Größe sind eGaN-FETs thermisch wesentlich effizienter.
(Bild: EPC)

Integration: Einer der großen Vorteile der GaN-on-Si-Technologie ist die Möglichkeit, mehrere High-Voltage-Leistungsbauelemente auf einem Chip zu integrieren. Dies hat die Entwicklung monolithischer Leistungsstufen ermöglicht (Bild 3). Dieser IC hat im Wesentlichen die gleiche Funktion wie der Silizium-basierte Low-Voltage-Multi-Chip-„DrMOS“, jedoch mit höherer Strom- und Spannungsfähigkeit sowie besseren thermischen Eigenschaften.

Bild 3: Die monolithische Leistungsstufe EPC2152 (links) auf dem 10 Quadratmillimeter kleinen GaN-Chip (rechts).
Bild 3: Die monolithische Leistungsstufe EPC2152 (links) auf dem 10 Quadratmillimeter kleinen GaN-Chip (rechts).
(Bild: EPC)

Um die Vorteile monolithischer Integration zu veranschaulichen, vergleicht Bild 4 den Wirkungsgrad eines 48-V- auf 12-V-Abwärtswandlers auf Basis des in Bild 3 dargestellten monolithischen ICs (Verlauf dargestellt als grüne Linien für unterschiedliche Frequenzen) und den entsprechenden diskreten GaN-Transistoren (dargestellt als blaue Linien für 1 MHz und 2,5 MHz). Die höhere Effizienz ist darauf zurückzuführen, dass die parasitären Induktivitäten von Source, Gate-Kreis und Leistungskreis (die unvermeidbar sind, wenn mehrere diskrete Bauelemente auf einer Leiterplatte montiert werden) praktisch eliminiert sind. Der beste MOSFET-Wirkungsgrad ist in diesem Diagramm mit einem schwarzen „X“ gekennzeichnet.

Bild 4: Vergleich des Wirkungsgrads eines 48- auf 12-V-Abwärtswandlers zwischen einem monolithischen EPC2152 und vergleichbaren diskreten GaN-Bauelementen mit einem Silizium-Treiber-IC. Der EPC2152 ist 35% kleiner und deutlich effizienter. Der maximale Wirkungsgrad eines MOSFET-basierten Abwärtswandlers ist deutlich schlechter (X).
Bild 4: Vergleich des Wirkungsgrads eines 48- auf 12-V-Abwärtswandlers zwischen einem monolithischen EPC2152 und vergleichbaren diskreten GaN-Bauelementen mit einem Silizium-Treiber-IC. Der EPC2152 ist 35% kleiner und deutlich effizienter. Der maximale Wirkungsgrad eines MOSFET-basierten Abwärtswandlers ist deutlich schlechter (X).
(Bild: EPC)

Wirkungsgrad und Leistungsdichte: Thermischer und elektrischer Wirkungsgrad lassen sich zu einer hohen Leistungsdichte des Systems kombinieren. GaN-Bauelemente sind seit jeher die bevorzugte Wahl bei Leistungsdichte-Benchmarks für 48-V-Wandler. Bild 5 zeigt die Entwicklung der Leistungsdichte ungeregelter 48- auf 12-V-Wandler in den letzten sieben Jahren. Der neueste Benchmark weist eine Leistungsdichte von über 5000 W/in3 im Vergleich zu den MOSFET-basierten Wandlern vor der Einführung von GaN mit etwa 350 W/in3 auf.

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Vorteilhaft auch für die elektrische Antriebstechnik

Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) profitieren aufgrund der überlegenen Eigenschaften von GaN auch von einer verbesserten Leistungsdichte. Hier ermöglicht das Fehlen einer Sperrladung (QRR; Reverse-Recovery-Ladung) in einem GaN-Transistor im Anreicherungsmodus eine erheblich kürzere Totzeit und eine höhere optimale Betriebsfrequenz des Motorantriebs.

Bild 5: Seit 2015 hat sich die Leistungsdichte für einen 48- auf 12V-DC/DC-Wandler um den Faktor acht erhöht.
Bild 5: Seit 2015 hat sich die Leistungsdichte für einen 48- auf 12V-DC/DC-Wandler um den Faktor acht erhöht.
(Bild: EPC)

Bild 6 vergleicht einen 20-kHz-BLDC-Antrieb mit 500 ns Totzeit (erforderlich, um die MOSFET-QRR zu berücksichtigen) und einem 100-kHz-Antrieb mit 14 ns Totzeit. Beide Antriebe laufen mit 5 Aeff und 400 U/min und der GaN-basierte Antrieb verwendet nur drei der ICs aus Bild 3, kombiniert mit einem einfachen Mikrocontroller, um die Bauteilzahl für diesen Motorantrieb gering zu halten. Überraschenderweise hat der 100-kHz-Antrieb etwa den gleichen Wechselrichterwirkungsgrad, kann aber 10% mehr Drehmoment an die Motorwelle und damit 10% mehr Reichweite für ein E-Bike liefern.

Bild 6: Mit drei GaN-Leistungsstufen (EPC2152) für einen BLDC-Motor, der mit 100 kHz anstelle des herkömmlichen MOSFET-basierten Wechselrichters mit 20 kHz betrieben wird, verbessert sich der Gesamtwirkungsgrad des Systems bei reduzierter Größe.
Bild 6: Mit drei GaN-Leistungsstufen (EPC2152) für einen BLDC-Motor, der mit 100 kHz anstelle des herkömmlichen MOSFET-basierten Wechselrichters mit 20 kHz betrieben wird, verbessert sich der Gesamtwirkungsgrad des Systems bei reduzierter Größe.
(Bild: EPC)

Dies ist auf die Eliminierung der sechsten Oberwelle zurückzuführen, die sich aus der langen Totzeit ergibt, welche für die Erholung der MOSFET-Diode erforderlich ist. Diese Oberwelle verursacht ein erhebliches akustisches Geräusch sowie eine Gegenkraft zum Motor. Durch die Umstellung auf die höhere Frequenz reduziert sich auch die EMI und Entwickler können Keramikkondensatoren nutzen anstelle von Elektrolytkondensatoren. Durch die geringere Baugröße lässt sich der gesamte Antrieb einfacher in das Motorgehäuse integrieren, was die Kosten und EMI noch weiter reduziert.

Zukünftige Generationen von GaN-Leistungshalbleitern

GaN-Leistungsbauelemente gibt es bereits seit mehr als zwölf Jahren in großen Stückzahlen, doch die Technik ist noch weit davon entfernt, dass sie ihre theoretische Leistungsfähigkeit ausgereizt hat. Die neueste Generation von GaN-Transistoren ist immer noch 300-mal größer als es die physikalischen Grenzen des Halbleiterkristalls vorgeben.

Die Technologie der Leistungshalbleiter auf Basis von Galliumnitrid wird sich damit in Bezug auf ihre Leistungsfähigkeit und ihre Kosten weiter verbessern, während die alternden Silizium-MOSFETs an den vor einigen Jahren erreichten Grenzen des Siliziumkristalls stagnieren. Integrierte GaN-Schaltkreise finden gerade ihren Weg in Serienanwendungen wie beispielsweise Schnellladegeräte für Mobiltelefone, E-Bike-Motorantriebe und Lidar-Systeme für Kraftfahrzeuge und Industrie-Roboter. Schaltungsentwickler können sich auf viele Jahre der Upgrade-Möglichkeiten freuen, sobald sie den Sprung in die Leistungswandlung mit Galliumnitrid Devices gewagt haben.  (KU)

* * Alex Lidow ... ist Mitgründer von Efficient Power Conversion (EPC).

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