PCIM 2014: Packagedesign für schnelles Schalten

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Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

Figure Of Merit (FOM) für schnell schaltende Transistoren

Der Beitrag vom Fraunhofer-Institut IZM Berlin [4] diskutiert ausführlich die wichtigsten relevanten parasitären Parameter hinsichtlich der Schalteigenschaften, parasitärem Einschalten und der EMV. Die parasitären Parameter der Halbleiter, die das schnelle Schalten verhindern, werden zu einem Figure Of Merit (FOM) für schnell schaltende Transistoren (Bild 3 links) zusammengefasst.

Dieser stellt zwei Größen gegenüber: das natürliche dV/dt-Limit und die maximale intrinsische Drain-Source-Spannung eines Transistors. Das dV/dt-Limit entspricht dem maximalen Spannungsanstieg, der an einem Schalter angelegt werden kann, ohne dass dieser parasitär anschaltet, unter der Annahme, dass die Treiberinduktivität gleich Null ist. Die maximale intrinsische Drain-Sourcespannung (V_imax) ist die maximale Drain-Source-Spannung, die angelegt werden kann, ohne dass die Gate-Source-Spannung (die durch den kapazitiven Spannungsteiler von Gate-Drain-Kapazität und Gate-Source-Kapazität gebildet wird) den Transistor in den angeschalteten Zustand versetzten kann.

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Dieses FOM quantifiziert die Eignung der Halbleiter für schnell schaltende Anwendungen. Sie beruht auf Datenblattangaben, die üblicherweise nicht unter einheitlichen Bedingungen gemessen werden. Aus diesem FOM ist deutlich ersichtlich, dass GaN-HEMTs ein viel höheres dV/dt-Limit als SiC-MOSFETs haben.

Eine Kombination der Parameter, die das schnelle Schalten ermöglichen (einschließlich Gate-Widerstand, effektiv nutzbarem Gate-Source-Spannungsbereich und Gate-Ladung) und Parameterkombination, die die Eignung der Chips für ein Leistungsmodul widerspiegelt, bilden ein weiteres FOM: FOM für schnell schaltendes Leistungsmodul (Bild 3 rechts). Mit Hilfe von beiden Darstellungen kann ein Modulentwickler einen passenden Halbleiterchip für seine Applikation finden.

Weiterhin gibt der Beitrag eine Übersicht über aktuelle GaN-Packages mit anschließender Diskussion deren Vor- und Nachteile und zeigt die Grenzen der Bonddrahtmodule für schnelles Schalten. Da GaN-HEMTs in der Regel laterale Bauelemente sind, bieten sie zwei weitere Vorteile gegenüber von SiC-Bauelementen für schnell schaltende Module: zum einen muss keine niederohmige Verbindung zur Chip-Unterseite hergestellt werden und somit wird das Modul noch niederinduktiver, zum anderen wird keine teure DCB benötigt. Die Chips können direkt auf einem Keramiksubstrat gesintert werden, was eine Reduzierung der Kosten bei der Modulherstellung ermöglicht.

Ausgehend von diesen und vielen weiteren Überlegungen ist ein Modulkonzept für ein schnell schaltendes GaN-Leistungsmodul entstanden (Bild 4). Dieses beinhaltet die komplette Integration eines niederinduktiv angebundenen primären DC-Link-Kondensators und eines Gate-Treibers unmittelbar neben den GaN-HEMTs direkt im Modul. Somit werden die Gate-Induktivität, DC-Link-Induktivität und Ausgangskapazität extrem klein gehalten. Das Fraunhofer IZM verwendet eine Einbettungstechnologie, die einen zusätzlichen Freiheitsgrad beim Design ermöglicht. Daher ist der Modulaufbau symmetrisch und weist ein EMV-optimiertes Design auf.

Ausblick: Die Miniaturisierung von Systemen, steigende Effizienz und die Ersparnis der Systemkosten gewinnt immer mehr an Bedeutung. Das schnelle Schalten macht die Realisierung dieser Trends für Leistungselektronikanwendungen möglich. Zusätzlich zu der Special Session über Packages für schnelles Schalten gibt es auf der PCIM-Konferenz viele andere Beiträge zu interessantesten Entwicklungen und letzten Innovationen in der Leistungselektronik.

Quellen:

[1] Hoffmann S., Hoene E., Zeiter O., „Electrical, thermal and electromagnetic design of a SiC solar inverter: a case study”, PCIM 2013, Nürnberg.

[2] Buttay C., ” Integrated packaging allows for improvement in switching characteristics of silicon carbide devices”, PCIM 2014, Nürnberg.

[3] Heer D., R. Bayerer, D. Domes “SiC-JFET in half-bridge configuration – parasitic turn-on at current commutation”, PCIM 2014, Nürnberg.

[4] Klein K., Hoene E., K.-D. Lang, „Packages for Fast Switching HV GaN Power Devices“, PCIM 2014, Nürnberg.

* * Dr. Eckart Hoene ist Head of Power Electronics Groupam Fraunhofer-Institut IZM Berlin. * Kirill Klein ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut IZM Berlin.

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