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ROHM Semiconductor GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Höhere Schaltfrequenz und kleinere magnetische Komponenten

In der Tabelle (Bild 5) sind ein GaN-Baustein der ersten Generation und ein Silizium-MOSFET der neuesten Generation gegenübergestellt. Der GaN-Baustein hat eine wesentlich geringere Gate-Ladung und eine erheblich geringere Sperrverzögerungsladung. Hinzu kommt eine flachere Charakteristik der Ausgangskapazität über die Drain-Source-Spannung, was im Vergleich zum Silizium-Baustein zu einer deutlichen Verbesserung der Ausgangsladung führt. Diese Unterschiede führen zu einem anderen Verhalten bei GaN-Bausteinen. Eine geringere Gate-Ladung bedeutet, dass der Treiber-IC geringere Ansteuerungsverluste aufweist.

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Betrachten wir die Systemvorteile, die das Halbleitermaterial GaN mit sich bringt. Bei geringeren Ansteuerverlusten lässt sich die Schaltfrequenz steigern, ohne dabei die Verlustleistung zu erhöhen. Eine höhere Schaltfrequenz ermöglicht kleinere magnetische Komponenten im Schaltkreis. Je nach Schaltkreistyp und Systemanforderungen kann damit auch die Größe der Bulk-Kondensatoren verringert werden. Dies führt zu Platzeinsparungen, was eine höhere Leistungsdichte mit sich bringt: In der Gleichung P_drive = Q_g * V_gs * f_sw stehen Q_g für die Gate-Ladung, V_gs für die angelegte Gate-Source-Spannung und f_sw für die Schaltfrequenz.

Andere Aspekte müssen mit berücksichtigt werden, um eine höhere Leistungsdichte zu ermöglichen. Bei jedem Schaltzyklus wird Energie in der Ausgangskapazität des Transistors gespeichert, die abzubauen ist, damit sich der Baustein beim Einschalten mit einem niedrigen Widerstand betreiben lässt. Wird der Schaltkreis in einer Weise verwendet, die diese Energie recycelt, ergeben sich keine Nachteile bei einer höheren Schaltfrequenz. Anderenfalls muss man sich den Schaltverlusten am Transistorausgang bewusst sein, die zudem proportional zur Frequenz sind.

Bei reduzierter Systemgröße sind die Wärmeleitungspfade zu überprüfen, um die verbleibende Verlustleistungswärme abführen zu können. Bei gleicher Verlustleistung und höherer Leistungsdichte muss der Wärmewiderstand des Systems gleich bleiben; das kann ein anderes Schaltungs-Design oder ein wärmeleitfähigeres Materialien erfordern.

Ein weiteres Missverständnis bei GaN-Transistoren stammt von Leistungs-MOSFETs. Als Leistungs-MOSFETs erstmals auf den Markt kamen, boten sie sehr begrenzte Energiekapazitäten, sobald eine Überspannung auftrat und im ausgeschalteten Zustand der gesamte Systemstrom durch den Baustein forciert wurde. Es dauerte viele Jahre, bis sich hier Verbesserungen einstellten, damit bei Überspannungen keine Schäden auftreten. Zum Einsatz kommen jedoch immer noch Leistungs-MOSFETs aufgrund anderer Vorteile bezüglich der Systemleistungsfähigkeit.

Eine ähnliche Situation besteht heute mit der ersten Generation von GaN-Leistungstransistoren. Im System sollten sie hohen Energiestößen nicht ausgesetzt werden. In dem Datenblatt mag die Avalance-Energie selbst bei Silizium-Leistungs-MOSFETs ausreichenden Schutz aufweisen. Anwendern wird aber ein falsches Sicherheitsgefühl vermittelt.

In der Realität spiegelt die angegebene Energie aber nicht die Möglichkeiten des Bausteins in der eigentlichen Anwendung wider. Auch bei GaN-Transistoren ist darauf zu achten, dass Überspannungen und ähnliche Ereignisse vermieden werden, die das System mit zusätzlicher Energie beaufschlagen und hohe Spannungsspitzen verursachen. In dieser Hinsicht bieten GaN-Transistoren jedoch einen Vorteil gegenüber Silizium-MOSFETs. Die tatsächliche Durchbruchspannung liegt weit über der angegebenen Steady-State-Spannung, sodass transiente Spannungen wesentlich höher ausfallen können, bevor sie Schäden verursachen. Ein sorgfältiges Design vermeidet Spannungsspitzen und berücksichtigt auch die erforderliche Energie zur Erhöhung der Drain-Source-Spannung des GaN-Transistors, wobei die Systemkapazität gegen Masse zu beachten ist.

Infineon

Applikationsspezifische und technische Herausforderungen in der GaN-Forschung

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