Marktentwicklung und Chancen zweier Technologien

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Erste Muster der schnellen GaN-SSFETs

Im isolierten TO-247-Gehäuse gibt es den Baustein RFJS3006F, ein schneller 650-V-SSFET mit integrierter ultra-schnellen Freilaufdiode und einer Sperrerholzeit T_rr von 12 ns sowie einer Sperrladung Q_rr von 40 nC. Der Normally-off-insulated-Gate-SSFET, von dem erste Muster erhältlich sind, ist ausgelegt für 30 A (I_D bei 25 °C) und hat einen R_DS(on) von 45 mΩ. Die Schaltverluste sind mit 20 µJ/30 µJ (Eon/Eoff) sehr gering.

Die Entwicklung des dynamischen On-Widerstands ist nicht länger ein Problem. In ersten Designs stellte sich nämlich heraus, dass die Gesamteffizienz schlechter war als erwartet. Seit Januar 2013 wurde an der Verbesserung dieses für die Effizienz wesentlichen Parameters gearbeitet; Bild 3 zeigt die erzielten Ergebnisse bei RFMD, die nicht jeder GaN-Hersteller nachweisen kann. Der geringere R_DS(on) wurde durch Veränderungen des Prozesses, der Epitaxie und weiterer Parameter erreicht. Auch wurde ein finales Rezept entwickelt, um Technologie und Produktqualifikation zu verbessern. Diese Verbesserungen sind auf Applikations- und Systemebene demonstriert und validiert.

Der Halbleiter RFJS1506Q im 8 mm x 8 mm kleinen HV-PQFN-Gehäuse ist eine sehr schnelle Version und für 15 A ausgelegt. Er besitzt ebenfalls eine interne und sehr schnelle FW-Diode (T_rr 9 ns, Q_rr 21 nC). Gerade für kompakte Designs ist das SMD-Gehäuse ohne externe Anschlüsse besonders nützlich und wird bei Leistungen bis 1 MW wohl die TO-Gehäuse verdrängen.

Weitere Daten des RFJS1506Q sind eine geringe Ausgangskapazität und Induktivität, außerdem werden die für den Hochspannungseinsatz erforderlichen Kriechstrecken eingehalten. Die Tabelle vergleicht die wesentlichen Parameter des RFJS1506Q mit Produkten des Mitbewerbs.

Beide Bauteile, deren Innenschaltung Bild 5 zeigt, bieten durch ihr isoliertes Gate die Vorteile und den einfachen Einsatz wie man ihn vom Power-MOSFET oder IGBT kennt; aber das mit höherer Effizienz und bei höheren PWM-Frequenzen.

Die SSFETs verwendet die Bidirektionalität eines GaN-HEMT für die Bildung einer ultra-schnelle Freilaufdiodenfunktion. Eine separate Antiparalleldiode ist daher nicht erforderlich. RFMD arbeitet bereits an einer monolithischen Einchip-Lösung des 650-V-SSFET ohne interne Bonddrähte und kommt so den Anforderungen der Modulhersteller entgegen.

2,4 kW Boost Converter Evaluation Board

RFMD offeriert für den RFJS3006F ein Evaluations-Board zum Aufbau eines 2,4-kW-Boost-Wandlers. Es erleichtert den Entwicklern den Einstieg in die GaN-Technologie. Das RFJS3006FDK1-Evaluationboard in Boost-Topologie (step-up) wird im Continuous Conduction Mode (CCM) betrieben und eignet sich, um die Ein- und Ausschaltcharakteristiken des RFJS3006F sowie seine Verluste und den Wirkungsgrad zu evaluieren.

Das Board enthält den Baustein RFJS3006F zusammen mit einem Treiber und einer SiC-Schottky-Diode sowie einer Spule. Seine Spezifikationen sind: Maximale Ausgangsleistung 2400 W, Eingangsspannung 180 V_DC bis 240 V_DC, geregelte Ausgangsspannung 386 V und Schaltfrequenz 133 kHz.

Schlussbemerkung und Ausblick: Der Einsatz von SiC-Leistungshalbleitern ist in Schaltapplikationen mit sehr hohen Spannungen vorteilhaft; die Verwendung von GaN-Bauteilen ist es, wenn es auf eine hohe Gesamteffizienz ankommt.

SiC-Substrate sind einige Dutzend Mal teurer als Si-Substrate, GaN dagegen macht nur 1/20 der SiC-Kosten aus bei Verwendung von Si-Substrat und ¼ der Kosten von SiC auf Safirsubstrat. Die Massenproduktion und weitere Kostenreduzierungen sind essentiell für den Breiteneinsatz von GaN-Leistungshalbleitern, welche zusätzlich erheblich sind, wenn unmodifizierte Si-Substrate verwenden werden. Kosten GaN-Leistungshalbleiter heute um den Faktor 4 mehr als SJ-MOSFETS, geht die Entwicklung Richtung Faktor 2 in 2015; und für 2016 sind 1,3 angepeilt. Da GaN der vielversprechende Leistungshalbleiter der nächsten Generation ist, gibt es von vielen Ländern Anstrengungen, das Monopol der Japaner auf diesem Gebiet zu brechen. Z.B. hat Imec in Europa sein GaN-on-Si-Research-Programm für die Herstellung von 8-Zoll-GaN/Si-Wafern neu organisiert. Gleichzeitig gibt es gemeinsame Entwicklungsprojekte mit Herstellern aus Übersee.

* Wolfgang Knitterscheidt ist Geschäftsführer der Eurocomp Elektronik, Bad Nauheim.

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