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GaN-Halbleiter

Fehleinschätzungen von GaN-Halbleitern vermeiden

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Anbieter zum Thema

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG
ROHM Semiconductor GmbH
Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Elektromagnetische Störungen und parasitäre Induktivitäten

Einer der wichtigsten Vorteile der GaN-Transistoren ist deren Schaltgeschwindigkeit. Werden jedoch die Systemaspekte nicht berücksichtigt, lassen sich die Vorteile von GaN nicht nutzen. Aufgrund der hohen Flankenanstiegs- und Flankenabfallgeschwindigkeit, wie sie sich mit GaN-Transistoren erzielen lässt, können Entwickler die Schaltfrequenzen deutlich erhöhen. Während parasitäre Induktivitäten immer einen Einfluss auf die Schaltkreise haben, sind sie bei schnellen Signalflanken und hohen Schaltfrequenzen noch kritischer. Steile Anstiegs- und Abfallflanken enthalten mehr hochfrequente Oberschwingungen und erhöhen das Risiko leitungsgebundener oder abgestrahlter elektromagnetischer Störungen (EMI).

Filter für leitungsgebundene EMI müssen genau an die Leistungstransistoren und die umgebenden Schaltkreise angepasst sein; man darf sich nicht auf bestehende Designs verlassen – unter der falschen Annahme, diese seien ausreichend. Um abgestrahlte elektromagnetischer Störungen zu reduzieren, müssen die Schaltknoten so kurz und breit wie möglich gehalten werden.

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Die parasitären Induktivitäten der Gehäuse schnell schaltender Transistoren haben gleichfalls erhebliche Auswirkungen auf den Wirkungsgrad der Leistungswandlung wie das PCB-Layout. Es gilt die Gesamtinduktivität in Versorgungs- und Ansteuerungskreisen auf ein Minimum zu senken, um eine bestmögliche Schaltleistung zu erhalten.

Nachdem nun minimierte parasitäre Induktivitäten schnellere Schaltfrequenzen ermöglichten, können auch andere Bauteile einer Überprüfung bzw. Änderung unterzogen werden. Beispielsweise ist es bei höheren Schaltfrequenzen möglich, die Größe der Magnetkerne in Transformatoren oder Drosseln zu verringern, um die Leistungsdichte des Gesamtsystems zu erhöhen. Lassen sich weiterhin die gleichen Materialien und Fertigungsmethoden wie bei den bisherigen größeren Systemen verwenden, sinken die Kosten für die magnetischen Bauteile. Gleiches gilt hinsichtlich der Anforderungen an die Kapazitäten; kleinere Kondensatoren sind möglich, wenn die Systemanforderungen damit immer noch erfüllt werden. Allerdings ist das nicht selbstverständlich. So kann eine Haltezeit erforderlich sein, die wiederum eine Mindestkapazität verlangt.

Die Senkung parasitärer Induktivitäten auf ein Minimum und ein entsprechendes Design ermöglichen ein kürzeres und besser steuerbares Schalten. Damit ergeben sich alle Vorteile schnell schaltender GaN-Transistoren, inklusive eines hohen Wirkungsgrades. GaN-Leistungstransistoren machen es möglich, damit erstellte Designs jenseits der Grenzen von Silizium zu betreiben. Eine erhebliche Steigerung der Systemleistung wird dann erzielt, wenn sowohl das Schaltungs-Layout als auch die Auswahl der Bauteile in die Betrachtungen einfließen. GaN ist also kein Substitut für Silizium, sondern ein Paradigma-Wechsel.

* Jason McDonald ist Technical Marketing Manager GaN Products bei ON Semiconductor, Arizona/USA.

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