GaN-Kaskode mit ausgezeichnetem Bodydioden-Verhalten

Anbieter zum Thema

ET System electronic GmbH

ROHM Semiconductor GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Pinnacle Marketing Communications Ltd

Leistungsverbesserungen mit der GaN-Kaskode

Um die Vorteile von GaN-Kaskodenschaltern gegenüber sowohl IGBT- als auch FET-basierten Wechselrichtern zu demonstrieren, wurden drei identische Boards entwickelt, die sich lediglich durch die Leistungsbausteine sowie die Optimierung ihres Widerstands zur Gate-Ansteuerung unterscheiden. Alle drei Boards wurden mit demselben Motor verbunden und mit denselben Leistungspegeln belastet. Die Gesamtverluste wurden gemessen und die Aufschlüsselung dieser Verluste wurde auf Grundlage der parametrischen Messungen des Bausteins geschätzt.

Bild 5 zeigt den Vergleich der gemessenen Verluste zwischen den drei Leistungsbausteinen. Bei allen Leistungspegeln schneidet die GaN-Kaskode eindeutig besser ab als die Si-Optionen. Aus Bild 6 ist detailliert zu entnehmen, wie die Verluste zwischen Leitungs-, Einschalt-, Abschalt- und festen (Overhead und Gatetreiber) Verlusten bei einem Phasenstrom von 1 A aufgeteilt sind. Auch hier zeichnen sich die GaN-Bausteine im Vergleich zu den Si-Bausteinen in jeder Kategorie geringere Verluste aus.

Wie geht es weiter? aktuelle Perspektiven

Bei höchsten Leistungsdichten ist eindeutig die Integration der Inverterstufe mit dem Treiber-IC die beste Lösung. Infolge der geringen Verluste und der hohen Leistung des GaN-Wechselrichters ist es möglich, die Ansteuerung für einen 400-W-Motor in einem µIPM-Gehäuse von 12 mm x15 mm unterzubringen, das keinen Kühlkörper benötigt (Bild 7).

Bei noch höheren Leistungspegeln lässt sich ein Halbbrücken-µIPM in einem Gehäuse von 9 mm x 8 mm auf drei Gruppen aufteilen, um so einen vollständigen 3-Phasen-Wechselrichter bei Leistungspegeln größer 1 kW zu erhalten, auch in diesem Falle ohne Kühlkörper (Bild 8).

Auch wenn häufig angenommen wird, dass sich GaN-Schalter nur für Hochfrequenz-Anwendungen am besten eignen, versetzt die Kombination eines niedrigen Rds(on) mit einer extrem niedrigen Qrr in einem 600-V-Baustein den GaN-Kaskodenschalter in die Lage, beim Einsatz in verhältnismäßig niederfrequenten Motorantrieben besser abzuschneiden als sowohl IGBTs als auch Standard-Silizium-FETs; und zwar nicht nur bei geringen Lasten, sondern bei allen Leistungspegeln.

Die Qrr der GaN-Kaskode wird gegenüber einer antiparallelen IGBT-Diode neunfach verbessert, und sogar 160-fach gegenüber einem Si-FREDFET(und sie ist unabhängig von der Temperatur). Daraus resultieren nicht nur Wirkungsgradverbesserungen, sondern gleichzeitig auch eine Gesamtreduzierung der leitungsgebundenen EMI. Die verringerte Abstrahlung erlaubt eine höhere Leistungsdichte; sie ermöglicht eine weitergehende Integration des Wechselrichters in ein µIPM. Und in Zukunft ist ein monolithischer GaN-Baustein einschließlich Leistungs- und Treiber-IC für eine extrem hohe Leistungsdichte möglich.

* Eric Persson ist Executive Director of GaN Applications and Marketing

* Alberto Guerra ist VP Product Marketing & Strategic Market Development bei International Rectifier, El Segundo/USA.

(ID:42607047)