Leistungselektronik 650-V-GaN lässt sich von zwei Seiten kühlen

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Mehr Leistung auf weniger Leiterplattenfläche verschärft die Anforderungen an das Thermomanagement. Renesas setzt deshalb bei einem neuen 650-V-GaN-FET auf ein 8 mm × 8 mm großes PQFN-Gehäuse, das Wärme über Ober- und Unterseite abführen kann.

Hohe Schaltfrequenzen machen GaN-Leistungshalbleiter interessant für kompakte Stromversorgungen. Wenn die Systeme allerdings kleiner und gleichzeitig leistungsfähiger werden, dann muss auch die Verlustwärme aus immer geringerem Bauraum abgeführt werden. Halbleiterhersteller Renesas hat Ende September 2026 mit dem TP65H020G4PLSGBD eine Lösung angekündigt, die das Problem nicht allein über den Halbleiter, sondern vor allem über dessen Gehäuse angehen soll.

Der 650-V-GaN-FET steckt in einem 8 mm × 8 mm großen PQFN-Package, bei dem die Wärme sowohl über die Unter- als auch über die Oberseite abgeführt werden kann. Renesas bezeichnet den Baustein als ersten 650-V-GaN-FET dieser Art. Gegenüber dem bisher eingesetzten 10 mm × 15 mm großen TOLT-Gehäuse schrumpft die benötigte Grundfläche laut Hersteller um 57 Prozent. Gleichzeitig soll die zusätzliche Kühlmöglichkeit auf der Oberseite die dortige thermische Impedanz um zehn Prozent senken.

Damit zielt Renesas auf ein Problem, das sich mit steigender Leistungsdichte zunehmend vom eigentlichen Halbleiter auf dessen Umgebung verlagert: Kurze Strompfade, wenig Leiterplattenfläche und eine wirksame Wärmeabfuhr müssen im selben Design zusammengebracht werden.

20 mΩ Einschaltwiderstand auf 8 mm × 8 mm

Der TP65H020G4PLSGBD basiert auf der Gen-IV-Plus-GaN-Technologie von Renesas. Bei 650 V Sperrspannung gibt der Hersteller einen typischen Einschaltwiderstand RDS(on) von 20 mΩ an, maximal sind es 25 mΩ. Der maximale Drainstrom bei 25 °C beträgt 92 A, die typische Gate-Ladung 19,6 nC. Der spezifizierte Temperaturbereich reicht von –55 bis +150 °C.

Beim Aufbau setzt Renesas auf eine Normally-off-Architektur aus einem Hochvolt-D-Mode-GaN-HEMT und einem Niedervolt-Silizium-MOSFET. Dadurch kann der FET mit üblichen Silizium-Gate-Treibern angesteuert werden. Eine negative Gate-Spannung ist nicht erforderlich. Hinzu kommen eine integrierte Freilaufdiode, eine laut Hersteller vernachlässigbare Reverse-Recovery-Ladung sowie eine hohe dv/dt‑Festigkeit. Der Baustein ist zudem pin-kompatibel zu entsprechenden E-Mode-GaN-Bauelementen.

Schaltfrequenzen bis in den MHz-Bereich sollen kleinere magnetische Bauelemente und damit kompaktere Stromversorgungen ermöglichen. Gerade dabei gewinnt jedoch das Gehäuse an Bedeutung: Kleinere passive Komponenten nützen bei der Miniaturisierung wenig, wenn Kühlkörper, Leiterplattenfläche oder die thermische Anbindung des Leistungshalbleiters anschließend zum begrenzenden Faktor werden.

6 kW von 800 auf 48 V

Wie sich der Baustein in einem System verhält, demonstriert Renesas mit einem 6-kW-LLC-DC-Transformator. Das Referenzdesign setzt 800 V Gleichspannung auf 48 V um und wird von einem RA6T3-Mikrocontroller gesteuert. Die Leistungsdichte gibt Renesas mit 2,6 kW/in³ an.

Im direkten Vergleich zu einem entsprechenden Aufbau mit einem 10 mm × 15 mm großen TOLT-Gehäuse (TO-Leaded Top-Side Cooling, das seine Verlustwärme hauptsächlich über die Oberseite abführt) lag der Wirkungsgrad bei Volllast um 0,21 Prozentpunkte höher. Gleichzeitig benötigt das Package weniger Leiterplattenfläche und erleichtert laut Renesas eine gleichmäßigere Anordnung der FETs. Weitere Referenzdesigns setzen die 800-V-Zwischenkreisspannung auf 12 beziehungsweise 6 V um.

Von der Stromversorgung bis zur Ladeinfrastruktur

Entwickelt wurde das neue Package zunächst mit Blick auf 800-V-HVDC-Stromversorgungen für Rechenzentren. Dort sollen künftig Leistungen im Megawattbereich pro Rack beherrscht werden. Die Kombination aus hoher Schaltfrequenz, kleiner Grundfläche und beidseitiger Wärmeabfuhr ist jedoch nicht auf diesen Einsatzbereich beschränkt.

Renesas nennt für den FET außerdem Telekommunikations-Stromversorgungen, Photovoltaik-Wechselrichter, USV-Systeme, Batteriespeicher und Ladeinfrastruktur für die Elektromobilität. Muster des TP65H020G4PLSGBD stehen bereits zur Verfügung. Die Serienfertigung ist für Mitte 2027 geplant. (sb)

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