Schaltbausteine Erster Treiberbaustein speziell für GaN-FETs ausgelegt

Schaltbausteine auf GaN-Basis haben überragende Werte für RDS_(on) und Q_gd. Doch sie verlangen eine präzise Ansteuerung. Der Beitrag skizziert die wichtigsten Herausforderungen.

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Seit geraumer Zeit werden Halbleiterbausteine auf Basis der Gruppe-III-Nitride mit großer Bandlücke intensiv erforscht. Diese aus Anwendungsbereichen wie LEDs, HF-Leistungsstufen, Radartechnik sowie unter anderem Luft- und Raumfahrt angestoßenen Aktivitäten ermöglichten die Einführung von Leistungs-FETs auf GaN-Basis, die verglichen mit standardmäßigen Silizium-MOSFETs eine Verbesserung der Leistungsdichte und der thermischen Eigenschaften bieten.

Die neue Kategorie von Bauelementen zeichnet sich dank überragender RDS_(on)- und Q_gd-Werte durch eine ausgezeichnete Figure Of Merit (FOM) aus, also dem Produkt aus RDS_(on) und Q_gd . Die Eignung für den Betrieb mit hohen Frequenzen und der geringe Platzbedarf des Gehäuses kommen als weitere Pluspunkte hinzu.

Somit sind diese Bauelemente die beste Wahl für Leistungswandler, in denen es auf ein Optimum von Wirkungsgrad und Leistungsdichte ankommt. Einerseits sind sie extrem nützlich für industrielle Leistungselektronik-Applikationen und können den Wirkungsgrad und die Regeleigenschaften von AC/DC- und DC/DC-Wandlern verbessern, andererseits sind mit ihrem Einsatz gewisse Herausforderungen verbunden.

Zunächst müssen die wichtigsten Eigenschaften von GaN-FETs für Leistungsapplikationen betrachtet werden, damit eine korrekte Abwägung zwischen den potenziellen Vorteilen, die mit dieser Technologie erzielt werden können, und den neuartigen Problemen, möglich ist. Anschließend geht es vorrangig um die Schwierigkeiten bei der Gate-Ansteuerung von GaN-FETs, bevor der Baustein LM5113 vorgestellt wird, der als erster Treiberbaustein speziell für GaN-FETs ausgelegt ist.

Die GaN-FETs im Überblick und Entwicklung der Bauteile

Ende der 1970er Jahre eingeführt haben sich die Leistungs-MOSFETs, einst lediglich Alternativen zu bipolaren Leistungstransistoren, zu den am weitesten verbreiteten Bauelementen in der Leistungselektronik entwickelt, woraus unter anderem die große Popularität von Schaltnetzteilen mit hoher Schaltfrequenz resultiert. Die fortschreitende Evolution der FETs war durch das Erscheinen neuer Technologien (beispielsweise TrenchFETs, HEXFETs oder CoolMOS) geprägt und führte zu einer langsamen aber stetigen Steigerung der Schaltleistung von MOSFETs.

In den letzten Jahren konnte die Kosteneffektivität alternativer Werkstoffe wie etwa GaN oder SiC so weit verbessert werden, dass sie auf dem Niveau der besten Bausteine auf Siliziumbasis liegt und einen grundlegenden Technologiewandel ermöglicht. Prinzipiell kann die Leistungsfähigkeit von GaN-Bausteinen mit den Eigenschaften der bereits weiter ausgereiften SiC-Technologie verglichen werden (Bild 1).

GaN zeichnet sich einerseits durch eine beinahe auf SiC-Niveau liegende Durchbruchspannung und durch eine doppelt so hohe Elektronenmobilität aus. Abgesehen davon ist die GaN-Industrie aufgrund der Entwicklungen in der Optoelektronik (umfangreicher Einsatz bei LEDs) ausgereift, und die Zahl der Anbieter auf dem Markt ist so groß, dass Preissenkungen gegenüber SiC zu erwarten sind. Andererseits weist GaN nur ein Viertel der Wärmeleitfähigkeit von SiC auf, und die gegenüber SiC-Produkten um zehn Jahre später gestartete Entwicklung hat ein Defizit in Bezug auf die Ausgereiftheit und Zuverlässigkeit zur Folge.

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