Das große Potenzial der Galliumnitrid-Halbleiter

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Um die Zuverlässigkeit der HD-GiT-Transistoren in Massenproduktion zu gewähren, testet Panasonic nicht nur gegen den üblichen JEDEC-Standard für Si-Bauteile, sondern hat eigene weitere GaN-spezifischen Tests entwickelt, um die langfristige Stabilität der Transistoren, etwa im Hinsicht auf Current-Collapse zu garantieren. Beschleunigte Lebensdauerprüfung wie Temperature Cycling Test erzielen eine für die Industrie übliche FiT-Rate von ungefähr 10 FIT.

Zusätzlich zur Wahl der richtigen Halbleiter-Baugruppe und Modulation ist gerade auch die Wahl der Gate-Treiber-Schaltung wichtig. Glücklicherweise kann die simple und weit verbreitete Push-Pull-Gate-Ansteuerschaltung mit separaten Einschalt- und Abschalt-Gate-Widerständen eingesetzt werden. Bild 6 zeigt eine typische Gate-Ansteuerung, die anhand verfügbarer Hochleistungs-MOSFET-Gate-Treiber realisierbar ist. Dabei kann der Entwickler einfach die Schalteigenschaften des Transistors kontrollieren, wie das Bild 7 veranschaulicht.

Neben der benötigten dynamischen Leistung im Zuge des Schaltübergangs, muss der Gate-Treiber auch die Schaltung verlässlich ein- oder ausgeschaltet halten. Die Gate-Eingangscharakteristika von GaN-GiT spiegelt eine Diode-Durchlasskennlinie wider. Der Gate-Stromfluss durch die interne Gate-Diode Dgs wird im On-Intervall durch R_ig begrenzt (Bild 6).

Für GaN-Anwendungen ist der Off-Zustand sehr entscheidend, weil dieser eine wesentlich geringere Grenzspannung aufweist als ihr jeweiliges Si-Gegenstück. Obwohl das niedrigeVerhältnis C_rss/C_iss der X-GaN-Transitoren gegen Kopplungsefekten über die Miller-Kapazität schützt, empfiehlt es sich je nach Anwendung eine negative Abschaltspannung am Gate anzulegen.

Für Entwickler, die eine optimierte Lösung schnell einsetzen möchten, hat Panasonic Ende 2016 einen eigenen X-GaN-Gate-Treiber auf den Markt gebracht. Dieser wurde für hohe Schaltfrequenzen bis 2 MHz optimiert und erschließt den vollen Leistungsumfang der X-GaN-Transistoren mit dem Enhancement-Mode 600 V. Dazu gibt es zusätzlich integrierte Funktionen wie eine Ladungspumpe, um negative Gatter-Spannungen zu generieren, und Sicherheitsmechanismen gegen Unterspannung und Gate-Oszillationen (Bild 8).

Beispielanwendungen und Vorteile des GiT

Die GiT-Transistoren zielen auf Leistungskonverter im Bereich etwa ab 100 W bis 5 oder 6 kW, wo heutzutage typischerweise MOSFETs mit 600 V bis 650 V eingesetzt werden. Dabei können Entwickler je nach Anwendungsbedarf auf bestmögliche Effizienz abzielen oder auf höchste Leistungsdichte sowie auf einen Kompromiss dazwischen.

GaN-Transistoren erlauben den Einsatz von Topologien wie Totem-Pole-PFCs, die gleichzeitig wenig Bauteile benötigen und State-of-the-Art-Effizienz-Werte vorweisen. Bei erhöhter Schaltfrequenz lassen sich dazu passive (insbesondere magnetische) Komponenten verkleinern, was Schaltungen wie Resonant-DC-DC-Konvertern erhöhte Leistungsdichte ermöglicht. Bei solchen resonanten Schaltungen bringt GaN im Teil-Last Betrieb erhebliche Effizienz-Verbesserungen. Diese Möglichkeiten hat Panasonic in einer hochkompakte und effizienten AC-DC-Demon-Einheit eingesetzt und demonstriert (Bild 9).

Anwendungen wie Stromversorgungen für IT und Telekom Server oder AC-Adapter sollten kurzfristig am meisten davon profitieren können. Seitens der Automobil-Industrie besteht auch großes Interesse, mittelfristig solche Komponente in kompakte On Board Charger oder DC/DCs einsetzen zu können.

Nach dem erfolgten Start der Serienproduktion von 600-V-Ausführungen mit On-Widerständen von 70 und 190 mΩ wird Panasonic das GaN-on-Silicon-Portfolio jetzt erweitern. Geplant sind Varianten mit On-Widerständen zwischen 40 und 350 mΩ. Die 600-V-Schalter der Serienproduktion garantieren ein V_ds-Pulse-Rating bis 750 V.

Leistungswandler

Siliziumkarbid als Alternative zu Silizium und Galliumnitrid

* Francois Perraud ist Team-Leiter Power and Automotive Solutions bei Panasonic, München.

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