Erster Treiberbaustein speziell für GaN-FETs ausgelegt

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Weitere Verbesserung um den Faktor 2 bis 3 in Sicht

Die Verfügbarkeit kostengünstiger GaN-Bauelemente wurde durch Verbesserungen der Fertigungsprozesse und die Verwendung wirtschaftlicherer Substrate begünstigt. Massive Kostensenkungen ergaben sich durch den Umstieg von den sehr teuren 2-Zoll-GaN-Substraten auf 4-Zoll-SiC-Substrate und 6-Zoll-Saphirsubstrate bis zu den neuesten Silizium-Substraten mit bis zu 12 Zoll. Allerdings war ein immenser Entwicklungsaufwand nötig, um die Zuverlässigkeit und das hohe Performance-Niveau der Bauelemente zu wahren, ohne Probleme durch Gitterfehlanpassungen und Wärmeausdehnungsdiskrepanzen in Kauf zu nehmen.

Der offenkundigste Vorteil GaN-basierter Bauelemente besteht in der gravierenden Verringerung des On-Widerstands bei gegebener Durchbruchspannung bzw. in der deutlich höheren Durchbruchspannung bei gegebenem On-Widerstand. Langfristig ist davon auszugehen, dass SiC-basierte Bauelemente gegenüber Silizium-Bausteinen einen um eine Größenordnung niedrigeren RDS_(on)-Wert bieten und dass GaN-Produkte eine weitere Verbesserung um den Faktor 2 bis 3 bringen werden.

Begleitet wird eine solche Reduzierung des On-Widerstands durch eine deutliche Verringerung der zum Einschalten des Bausteins benötigten Gateladung, was schon in den frühen Entwicklungsphasen dieser neuen Bauelemente eine deutliche Verbesserung des FOM-Wertes ergab.

Die Hersteller von GaN-Bauelementen prognostizieren bei den Bauelementen des Jahres 2014 eine Verbesserung dieser FOM um eine Größenordnung gegenüber den Eigenschaften von Silizium-Produkten aus dem Jahr 2009. Dies ergibt eine deutliche Wirkungsgradsteigerung der Schaltnetzteile mit hoher Schaltfrequenz und treibt die weitere Miniaturisierung insgesamt stark voran.

Bild 2 zeigt die FOM verschiedener derzeit auf dem Markt angebotener FETs. Die Punkte stehen für die unterschiedlichen auf dem Markt verfügbaren Bauelemente, wobei die durchgezogene Linie eine lineare Extrapolation für verschiedene V_ds-Werte kennzeichnet. Es versteht sich, dass eGaN für die künftige Generation mit ihrer deutlich höheren Durchbruchspannung noch wettbewerbsfähiger sein wird.

Obwohl GaN neuerdings in vielen Schlagzeilen vorkommt und durch herausragende FOMs überzeugt, werden die neuen Technologien die bestehenden Bauelemente nicht vollständig verdrängen. Sie werden sie vielmehr ergänzen und in bestimmten Applikationen (etwa Schaltnetzteilen mit hoher Schaltfrequenz und hoher Leistung) sehr beliebt werden.

Die Vorteile dieser Bauelemente haben indes ihren Preis und gelegentlich setzt ihre Verwendung Kenntnisse voraus, die derzeit noch eher dünn gesät sind. Alle Leistungselektronik-Designer sind mit den wichtigen Features von MOSFET-Gatetreibern vertraut und kennen ICs wie die Reihe LM51XX und viele andere, die sich für die effektive Ansteuerung standardmäßiger Silizium-Schaltbausteine anbieten. Weitgehend unbekannt ist jedoch, welche grundlegenden Eigenschaften ein Treiber für GaN-FETs mitbringen sollte.

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Link: Technische Spezifikationen und mehr zum LM5113

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