GaN-Technologie Diskrete und integrierte GaN-Lösungen im Vergleich

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Galliumnitrid (GaN) in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen. Während diskrete GaN-HEMT-Bauelemente weit verbreitet sind, kommen nun auch integrierte GaN-Lösungen. Diese integrierten Lösungen bauen auf den Vorteilen von GaN auf und haben das Potenzial, noch mehr Leistung zu liefern.

Die Welt der Leistungselektronik hat die Vorteile von Galliumnitrid (GaN) eindeutig erkannt. In der Fachpresse, auf Messen und Konferenzen wurde vor allem über die Effizienz- und Leistungssteigerungen diskutiert, die sich durch den Übergang von Silizium-/Si-MOSFETs zu GaN-Lösungen erzielen lassen. Die Wachstumserwartungen der Analysten variieren, aber fast alle gehen von einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum (CAGR) von mindestens 24 Prozent bis 2027 aus. Einige Schätzungen liegen sogar noch deutlich höher, insbesondere in wichtigen Marktsegmenten wie Industrie, Consumer, Telekommunikation und Automotive. So viel ist bekannt. Neben der weit verbreiteten Verfügbarkeit diskreter GaN-HEMT-Bauelemente sehen wir heute jedoch auch das Aufkommen integrierter GaN-Lösungen führender GaN-Hersteller, die auf den Vorteilen von GaN aufbauen und das Potenzial haben, noch leistungsfähiger zu sein.

Die integrierte Lösung ist jedoch kein universelles Allheilmittel. Je nachdem, wie das Schaltungsdesign ausgelegt ist, kann es sinnvoller sein, einen diskreten GaN-Schalter mit hohem Wirkungsgrad zu verwenden. Dies ist dann der Fall, wenn ein spezieller Treiber erforderlich ist oder wenn der Treiber bereits im Controller enthalten ist – oder bei höheren Leistungen über 1 kW, da einige integrierte Lösungen noch nicht parallel geschaltet werden können. Für solche und andere Anwendungen, die ein hohes Maß an Designflexibilität erfordern, bieten Hersteller wie Innoscience eine Reihe diskreter Bauteile an, die 30 bis zu 700 V mit verschiedenen Durchlasswiderständen abdecken.

In vielen anderen Fällen kann jedoch eine integrierte Lösung (z. B. Treiber & GaN-HEMTs oder Halbbrücke & Treiber) das Designvolumen verringern, höhere Leistungsniveaus bieten und die Anzahl der Bauteile reduzieren (kleinere Stückliste). Nehmen wir als Beispiel den ISG3201, ein 100 V-Produkt aus der SolidGaN-Reihe von Innoscience, der zwei 100 V-/2,3 mΩ-GaN-Bauelemente im Anreicherungsmodus mit einem 100V-Halbbrücken-Gate-Treiber kombiniert (Bild 1). Der im 30-Pin-LGA-Gehäuse (5 mm x 6,5 mm x 1,12 mm) untergebrachte Baustein zielt auf Hochfrequenz-/HF-Buck-Wandler, Halbbrücken- oder Vollbrücken-Wandler, Klasse-D-Audioverstärker, LLC-Wandler und Leistungsmodule in Anwendungen wie Motortreiber, KI, Server, Telekommunikation und Supercomputer ab.

Ein Vergleich der Halbbrückenschaltung, die mit speziellen Si-MOSFETs, diskreten GaN-Bauelementen und dem integrierten ISG3201 realisiert wurde, zeigt, dass die diskrete GaN-Lösung (wie zu erwarten) einen um 66 Prozent geringeren Platzbedarf aufweist. Der integrierte SolidGaN-Baustein ist jedoch noch einmal um 19 bzw. 73 Prozent kleiner als die Siliziumschaltung. Bild 1 zeigt auch, wie der ISG3201 den Bedarf an externen Bauelementen minimiert. Der Treiberwiderstand, der Bootstrap- und der VCC-Kondensator sind ebenfalls im Gehäuse enthalten, was sieben Bauteile (vier Widerstände und drei Kondensatoren) einspart.

Ein weiterer Vorteil ist, dass sich durch die Integration dieser Funktionen die Induktivität des Gate- und Leistungskreises verringert – in der Regel um 40 Prozent. Kleinere Störeinflüsse führen z. B. zu weniger Ringing und geringerem Überschwingen. Dies erhöht den Wirkungsgrad, vereinfacht das Design und verbessert die Zuverlässigkeit, da das Überschwingen auf 4 V minimiert wird – 80 Prozent weniger als bei anderen Anbietern. Außerdem werden weniger Klemmbauteile benötigt.

Das Design vereinfacht auch das Layout der Leistungsstufe. In einigen Konfigurationen befindet sich der Schaltknoten zwischen U_in und P_GND, was den Aufbau des Boards vereinfacht, aber zusätzliche externe Bauteile erfordert. Das Innoscience-Design (Bild 2) zeigt, dass der Schaltknoten am Rand liegt, so dass nur ein einfacher Entkopplungskondensator zwischen U_in und P_GND erforderlich ist und der Schaltknoten mit dem externen Schaltkreis verbunden wird. Je nach gewählter Endstufe lassen sich so zahlreiche Bauteile einsparen.

Bild 3 zeigt die Einfachheit der Schaltkreise für einen Buck- (Bild 3a), LLC- (Bild 3b), 3-Phasen-BLDC- (Bild 3c) und Vollbrücken-Solarwechselrichter (Bild 3d). Bei einem diskreten Ansatz wären mehr Bauelemente erforderlich, wie in Bild 3a (Buck) und Bild 3b (LLC) dargestellt.

Das integrierte Design bietet auch Vorteile während der Fertigung. Die Montage diskreter Bauteile, die in einem Fine-Pitch-WLCSP-Gehäuse (Wafer Level Chip Scale Package) untergebracht sind, ist schwierig zu kontrollieren und schränkt auch die Menge an Kupfer ein, die auf der Leiterplatte verwendet werden kann.

Obwohl GaN in der Regel kühler läuft als Silizium, weil es effizienter ist, ist bei hohen Leistungen mehr Kupfer für eine bessere Wärmeableitung wünschenswert, ja sogar notwendig. Durch integrierte Gehäuse mit einem größeren Pinabstand kann dies mit 70 µm Kupferstärke ausgeführt werden (zwei Unzen), anstatt dies mit einer Kupferstärke von 35 µm umzusetzen, was einer Unze entspricht. Dies stellt auch die praktische Grenze für diskrete Fine-Pitch-Bauteile dar. Dies verringert die Verlustleistung und erhöht den Wirkungsgrad, was den praktischen Leistungsbereich der GaN-Technologie erweitert. Tests haben gezeigt, dass der Wirkungsgrad von Halbbrückendesigns mit integrierten Bauteilen wie dem ISG3201 aufgrund des höheren Kupferanteils auf der Leiterplatte um 0,3 Prozent höher ist als bei Implementierungen mit diskreten GaN-Bauteilen.

Betrachtet man ein 48/12 V-DC/DC-Wandlermodul, das mit 1 MHz betrieben wird, machen diese Effizienzverbesserungen einen erheblichen Unterschied aus. Bild 4 zeigt, dass sich der Gesamtwirkungsgrad um 0,7 Prozent verbessert, wenn das Design mit der integrierten Halbbrücke ISG3201 anstelle einer diskreten Lösung umgesetzt wird. Die thermischen Diagramme zeigen, dass diese Effizienzsteigerung bei gleichem Temperaturanstieg bedeutet, dass sich mit dem integrierten Ansatz 18 Prozent mehr Leistung erzielen lässt.

Motortreiber als Anwendungsbeispiel

Bild 5 zeigt einen 500 W-Motortreiber (1.000 W Spitzenleistung), wie er in einer E-Mobilitätsanwendung zum Einsatz kommt. Hier können drei kompakte SolidGaN-ISG3201-Halbbrücken-ICs sechs 90 V-/4 mΩ-Si-MOSFETs im TO-220-Gehäuse und drei Halbbrückentreiber-ICs sowie eine Handvoll externer Bauteile ersetzen, was zu einer Platzersparnis von fast 90 Prozent führt. Ein Referenzdesign und ein Evaluierungsboard sind verfügbar. GaN führt auch zu einer geringeren harmonischen Gesamtverzerrung (um mindestens eine Größenordnung). Dies sorgt für weniger Drehmomentwelligkeit, weniger Überstrom und geringere Wicklungsverluste. Der Motor läuft ruhiger und erzeugt weniger hörbare Geräusche, was sich positiv auf die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer auswirkt.

Fazit

Integrierte Lösungen bieten also Vorteile hinsichtlich Baugröße und Effizienz. Dennoch bieten diskrete GaN-Lösungen immer noch höchste Design-Flexibilität und sind bei höheren Leistungen die einzige verfügbare Wahl, bis eine weitere Parallelisierung integrierter Bauelemente erreicht ist (dies ist in der Roadmap). Aber was auch immer Sie bevorzugen, GaN – in irgendeinem Format – ist wahrscheinlich die Antwort. (mr)

* Dr. Shuilin Tian ist Senior Director bei Innoscience, Dr. Denis Marcon ist General Manager bei Innoscience

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