Leistungshalbleiter 2.200-Volt-GaN soll den Einsatzbereich von Wide-Bandgap-Halbleitern erweitern

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Mit 2.200 V stößt GaN erstmals in Spannungsbereiche vor, die bislang als Domäne von Siliziumkarbid galten. Warum Power Integrations trotzdem nicht SiC ersetzen will und welche Anwendungen von der neuen Technologie profitieren sollen.

Mit einer Sperrspannung von 2.200 V erweitert Power Integrations den Spannungsbereich seiner PowiGaN-Technologie deutlich. Die Ankündigung markiert jedoch mehr als nur einen neuen Rekordwert. Das Unternehmen will GaN in Anwendungen etablieren, die bislang überwiegend Siliziumkarbid vorbehalten waren. Entscheidend sind dabei weniger die zusätzlichen Volt als vielmehr die Möglichkeit, auch bei höheren Zwischenkreisspannungen die hohen Schaltfrequenzen von GaN zu nutzen.

Die Entwicklung von Galliumnitrid (GaN) in der Leistungselektronik war in den vergangenen Jahren vor allem durch steigende Schaltfrequenzen und höhere Wirkungsgrade geprägt. Allerdings konzentrierte sich der Einsatz bislang überwiegend auf Spannungsbereiche bis 650 V oder 900 V. Höhere Spannungen galten dagegen als Domäne von Siliziumkarbid (SiC), insbesondere in Industrieanlagen, Photovoltaik-Wechselrichtern oder Hochvolt-Anwendungen im Automotive-Bereich.

Mit einer Sperrspannung von 2.200 V will Power Integrations diese Grenze nun verschieben. Nach Angaben des Unternehmens handelt es sich dabei zunächst um eine Technologieankündigung und noch nicht um die Vorstellung eines konkreten Serienprodukts. Erste Bausteine auf Basis der neuen PowiGaN-Technologie befinden sich jedoch bereits in der Entwicklung.

Höhere Spannungen als Folge steigender Leistungsdichten

Die höhere Sperrspannung ist für Power Integrations kein Selbstzweck. Vielmehr reagiert das Unternehmen damit auf Entwicklungen in mehreren Anwendungsfeldern, die zunehmend höhere Zwischenkreisspannungen erfordern.

Ein Beispiel sind KI-Rechenzentren. Mit jeder neuen GPU-Generation steigt deren Leistungsaufnahme, wodurch auch die Ströme innerhalb der Stromversorgung wachsen. Höhere Zwischenkreisspannungen reduzieren bei gleicher Leistung die fließenden Ströme und damit die ohmschen Verluste in Leiterbahnen, Stromschienen und Kabeln. Nach Einschätzung von Power Integrations könnten sich deshalb langfristig Gleichspannungsverteilungen mit bis zu 1.500 V etablieren. Bereits heute entwickelt das Unternehmen 1.700-V-PowiGaN-Bausteine für Hilfsversorgungen in Rechenzentren. Die neue 2.200-V-Technologie soll genügend Spannungsreserve für zukünftige Architekturen bieten.

Eine ähnliche Entwicklung sieht das Unternehmen im Automotive-Bereich. Während aktuelle Elektrofahrzeuge überwiegend auf 400- oder 800-V-Batteriesysteme setzen, zeichnen sich bereits Plattformen mit Batteriespannungen oberhalb von 1.000 V ab. Höhere Spannungen ermöglichen kleinere Leiterquerschnitte, reduzieren Leitungsverluste und verbessern damit die Effizienz des Gesamtsystems. Auch Photovoltaik-Anlagen, Batteriespeicher sowie Hilfsversorgungen in HGÜ-Systemen (Hochspannungs-Gleichstromübertragung, HVDC) gehören nach Einschätzung von Power Integrations zu den künftigen Einsatzfeldern der neuen Technologie.

Nicht die Spannung ist der eigentliche Fortschritt

Im Gespräch machte Power Integrations deutlich, dass die 2.200-V-Technologie nicht als Ersatz für sämtliche SiC-Anwendungen gedacht ist. Große Traktionswechselrichter oder Hochleistungsumrichter im Bereich mehrerer hundert Kilowatt sieht das Unternehmen weiterhin als klassische Einsatzgebiete für Siliziumkarbid.

Stattdessen richtet sich PowiGaN an Anwendungen im Leistungsbereich von etwa 10 bis 20 kW. Dort sollen die materialbedingten Eigenschaften von GaN ihre Stärken ausspielen. Aus Sicht von Power Integrations liegt der eigentliche Fortschritt deshalb weniger in der höheren Sperrspannung als vielmehr darin, dass sich die hohen Schaltfrequenzen von GaN künftig auch in deutlich höheren Spannungsbereichen nutzen lassen. Höhere Schaltfrequenzen ermöglichen kleinere Transformatoren und Drosseln, wodurch sich magnetische Bauelemente kompakter auslegen lassen. Das reduziert Bauvolumen und Gewicht und erhöht gleichzeitig die erreichbare Leistungsdichte.

Damit verfolgt Power Integrations einen anderen Ansatz als viele Diskussionen um Wide-Bandgap-Halbleiter vermuten lassen. Nicht die maximale Spannung oder Leistung steht im Mittelpunkt, sondern die Frage, in welchen Anwendungen hohe Schaltfrequenzen einen größeren Systemvorteil bieten als die reine Stromtragfähigkeit eines Leistungshalbleiters.

Cascode statt Enhancement-Mode

Während viele GaN-Hersteller heute auf sogenannte Enhancement-Mode-Bauelemente (e-mode) setzen, verfolgt Power Integrations weiterhin einen anderen Ansatz. Die neue 2.200-V-Technologie basiert – wie bereits die bisherigen PowiGaN-Generationen – auf einer Cascode-Architektur. Dabei wird ein normalerweise leitender Depletion-Mode-GaN-HEMT mit einem Niederspannungs-Silizium-MOSFET kombiniert. Erst diese Kombination verhält sich nach außen wie ein konventioneller, normalerweise gesperrter Leistungsschalter.

Nach Angaben von Power Integrations bietet dieser Aufbau mehrere Vorteile. Der zulässige Bereich der Gate-Spannung ist größer als bei einem reinen Enhancement-Mode-GaN-Bauelement. Dadurch lassen sich die Gate-Treiber weniger kritisch auslegen, was insbesondere in Halbbrückenschaltungen die Robustheit erhöhen soll. Gleichzeitig verweist das Unternehmen auf Vorteile beim Schalten in der dritten Quadranten sowie auf geringere Schaltverluste und höhere erreichbare Schaltfrequenzen.

Im Interview betonte Power Integrations außerdem, dass die grundlegende Cascode-Struktur über sämtliche bisher vorgestellten Spannungsklassen hinweg unverändert geblieben sei. Gerade diese einheitliche Bauteilarchitektur sei ein wesentlicher Grund dafür gewesen, die Sperrspannung schrittweise von zunächst 750 V bis auf heute 2.200 V erhöhen zu können.

Hohe Schaltfrequenzen als Systemvorteil

Aus Sicht von Power Integrations liegt der eigentliche Nutzen der neuen Technologie nicht in der höheren Sperrspannung allein. Entscheidend sei vielmehr, dass sich die typischen Vorteile von GaN nun auch in Anwendungen mit deutlich höheren Zwischenkreisspannungen nutzen lassen.

Während SiC-Leistungshalbleiter häufig mit Schaltfrequenzen im Bereich einiger hundert Kilohertz betrieben werden, sieht das Unternehmen bei GaN weiterhin den Betrieb bis in den Megahertz-Bereich als wesentlichen Vorteil. Höhere Schaltfrequenzen ermöglichen kleinere Transformatoren und Drosseln, wodurch sich magnetische Bauelemente kompakter auslegen lassen. Gleichzeitig sinken Bauvolumen und Gewicht der Stromversorgung, während die Leistungsdichte steigt.

Nach Einschätzung von Power Integrations spielt dieser Vorteil insbesondere bei Hilfsversorgungen im Leistungsbereich zwischen etwa 10 und 20 kW eine Rolle. Große Traktionswechselrichter oder Hochleistungsumrichter im Bereich mehrerer hundert Kilowatt sieht das Unternehmen dagegen weiterhin als klassische Einsatzgebiete für Siliziumkarbid.

GaN-on-Sapphire soll thermische Vorteile bieten

Ein weiterer technischer Unterschied gegenüber vielen anderen Leistungshalbleitern liegt im verwendeten Substrat. Power Integrations fertigt seine PowiGaN-Bauelemente auf einem Saphir-Substrat. Nach Angaben des Unternehmens bringt die elektrisch isolierende Substratstruktur Vorteile für den mechanischen und thermischen Aufbau der Leistungselektronik.

Während bei vielen Hochvolt-Leistungshalbleitern die Kühlfläche auf Drain-Potenzial liegt und deshalb elektrisch vom Kühlkörper isoliert werden muss, soll dieser zusätzliche Isolationsaufwand bei der verwendeten GaN-on-Sapphire-Technologie entfallen. Dadurch könnten sich sowohl der thermische Widerstand als auch parasitäre Kopplungen reduzieren. Quantitative Vergleichsdaten gegenüber SiC-Lösungen nannte Power Integrations jedoch nicht.

Kein universeller Ersatz für SiC

Trotz der hohen Sperrspannung versteht Power Integrations die neue Technologie ausdrücklich nicht als universellen Ersatz für Siliziumkarbid. Nach Einschätzung des Unternehmens werden große SiC-Leistungsmodule für Traktionsantriebe, Energieübertragung oder andere Anwendungen im Bereich mehrerer hundert Kilowatt auch künftig ihre Berechtigung behalten.

Stattdessen sieht Power Integrations den Einsatzbereich der neuen Technologie dort, wo hohe Schaltfrequenzen einen größeren Einfluss auf die Systemeffizienz haben als die maximale Stromtragfähigkeit. Ziel sei es daher weniger, SiC vollständig zu verdrängen, sondern den Einsatzbereich von GaN auf Anwendungen auszudehnen, die bislang aufgrund ihrer hohen Zwischenkreisspannungen als typische SiC-Domäne galten.

Durchbruchmessungen belegen die Robustheit

Neben der neuen Spannungsklasse präsentierte Power Integrations erstmals auch Messergebnisse zur Charakterisierung der 2.200-V-Technologie. Im Mittelpunkt standen dabei Untersuchungen zur Durchbruchspannung sowie zum Schaltverhalten unter hoher elektrischer Belastung.

In einer der gezeigten Messungen setzte der Durchbruch des Bauelements erst oberhalb von 4 kV ein. Nach Angaben des Unternehmens unterstreicht dies die Robustheit der Bauteilstruktur. Gleichzeitig machte Power Integrations deutlich, dass diese Messung ausschließlich der Charakterisierung dient und nicht als zulässiger Betriebsbereich zu verstehen ist. Im praktischen Einsatz dürfe die spezifizierte Betriebsspannung von 2.200 V unter keinen Umständen überschritten werden.

Darüber hinaus demonstrierte das Unternehmen den Betrieb eines 2.200-V-PowiGaN-Schalters in einer Flyback-Testschaltung. Während eines rund 20-stündigen Dauerversuchs wurde das Bauelement mit Spitzenspannungen bis 1.760 V betrieben. Nach Angaben von Power Integrations blieb der Einschaltwiderstand R_DS(on) während des gesamten Versuchs stabil. Die Messung soll zeigen, dass sich die Technologie auch unter realen Schaltbedingungen reproduzierbar betreiben lässt.

Bewusste Abgrenzung zum Avalanche-Betrieb

Auffällig war, dass Power Integrations im Gespräch mehrfach auf das Avalanche-Verhalten einging. Während viele Silizium- und SiC-Leistungshalbleiter über definierte Avalanche-Eigenschaften verfügen und kurzzeitige Überspannungsereignisse innerhalb bestimmter Grenzen verkraften, verfolgt das Unternehmen bei PowiGaN einen anderen Ansatz. Nach Aussage von Power Integrations soll der Avalanche-Bereich im normalen Betrieb grundsätzlich vermieden werden. Stattdessen zielt das Design darauf ab, auch unter transienten Belastungen ausreichend Abstand zur spezifizierten Betriebsspannung einzuhalten.

Die gezeigten Durchbruchmessungen oberhalb von 4 kV sind daher nicht als Freigabe für kurzzeitige Überspannungen zu verstehen, sondern dienen ausschließlich dem Nachweis der technologischen Robustheit.

Viele Kenndaten stehen noch aus

Auch wenn Power Integrations die grundlegende Technologie bereits vorgestellt hat, bleiben zahlreiche technische Fragen offen. So veröffentlichte das Unternehmen bislang weder Angaben zum Einschaltwiderstand noch zu den erreichbaren Stromklassen, Schaltenergien oder der Safe Operating Area der künftigen Bauelemente. Ebenso fehlen Informationen zu verfügbaren Gehäusen und konkreten Leistungsklassen.

Dies überrascht allerdings kaum. Nach Angaben des Unternehmens handelt es sich bei der Vorstellung zunächst um eine Technologieankündigung. Erste Produkte befinden sich bereits in der Entwicklung, konkrete Datenblätter wurden jedoch noch nicht veröffentlicht.

Einordnung

Mit der 2.200-V-PowiGaN-Technologie erweitert Power Integrations den bislang üblichen Spannungsbereich von GaN deutlich. Im Unterschied zu vielen Produktankündigungen steht dabei jedoch weniger ein einzelnes Bauelement im Mittelpunkt als vielmehr die strategische Frage, wie sich Wide-Bandgap-Halbleiter in zukünftigen Hochvolt-Anwendungen positionieren.

Interessant ist dabei vor allem die technische Ausrichtung des Unternehmens. Statt auf immer höhere Leistungen zielt Power Integrations auf Anwendungen, in denen hohe Schaltfrequenzen kleinere magnetische Bauelemente und kompaktere Stromversorgungen ermöglichen. Gleichzeitig versteht das Unternehmen die Technologie ausdrücklich nicht als universellen Ersatz für Siliziumkarbid. Vielmehr soll GaN künftig einen Spannungsbereich erschließen, der bislang überwiegend SiC vorbehalten war.

Ob sich dieser Ansatz durchsetzt, wird sich erst mit den ersten Serienbausteinen zeigen. Entscheidend werden dann weniger die erreichbare Sperrspannung als vielmehr Kenndaten wie Schaltverluste, Stromtragfähigkeit, thermisches Verhalten und letztlich die Wirtschaftlichkeit gegenüber etablierten SiC-Lösungen sein. (mr)

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