GaN-Leistungskomponenten und Tools von ADI eröffnen neue Designmöglichkeiten

Galliumnitrid(GaN)-Halbleiter haben einen weiten Weg zurückgelegt, seit sie Anfang der 1990er Jahre als sehr helle, blau leuchtende Dioden (LEDs) kommerziell nutzbar wurden und in der Folge zu einer Kerntechnologie für optische Blu-ray-Player wurden. Es sollte fast zwei Jahrzehnte dauern, bis die Technologie für Feldeffekttransistoren (FETs) mit hohem Wirkungsgrad kommerziell nutzbar war.

GaN ist heute eines der am schnellsten wachsenden Segmente der Halbleiterindustrie, mit einem geschätzten jährlichen Wachstum von 25 % bis 50 %, angetrieben durch die Nachfrage nach Geräten mit höherer Energieeffizienz, um die Ziele der Nachhaltigkeit und Elektrifizierung zu erreichen.

Mit GaN-Transistoren lassen sich kleinere und effizientere Bauelemente entwickeln als mit Silizium-Transistoren. Ursprünglich für Hochleistungs-Mikrowellenverstärker verwendet, haben die Größenvorteile bei der Herstellung von GaN und die Fähigkeit, kleine, leistungsfähigere Verstärker zu schaffen, die Nutzung erweitert und einen Multi-Milliarden-Dollar-Markt für Geräte geschaffen, der Verbraucher-, Industrie- und Militäranwendungen umfasst.

Es wird allgemein angenommen, dass Silizium-MOSFETs ihre theoretischen Grenzen für die Leistungselektronik erreicht haben, während GaN-FETs noch ein großes Potenzial für weitere Leistungssteigerungen haben. Für GaN-Halbleiter werden meist Substrate aus Siliziumkarbid (SiC) verwendet, gefolgt von Silizium, das wirtschaftlicher ist, oder Diamant, der die beste Leistung erbringt und am teuersten ist. GaN-Bauelemente arbeiten bei höheren Temperaturen mit höherer Elektronenbeweglichkeit und -geschwindigkeit als siliziumbasierte Bauelemente und mit geringem oder gar keinem Rückwärtserholungsstrom.

GaN-Leistungshalbleiter bieten eine etwa fünfmal höhere Leistungsdichte als Galliumarsenid(GaAs)-Leistungshalbleiter. Mit einem Wirkungsgrad von 80 % oder mehr bieten GaN-Halbleiter eine höhere Leistung, Bandbreite und Effizienz als Alternativen wie GaAs und lateral diffundierte Metalloxid-Halbleiter (LDMOS). Die Technologie wird heute in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, von Schnellladeadaptern bis hin zu LiDAR-Geräten (Light Detection And Ranging), die in fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) für Kraftfahrzeuge eingebaut werden.

Rechenzentren stellen einen weiteren aufstrebenden Markt für GaN-basierte Komponenten dar, die den steigenden Stromverbrauch und die Kühlungsanforderungen erfüllen können, um die Kosten zu senken und den Betreibern bei der Bewältigung der zunehmenden Umweltprobleme zu helfen, mit denen sie von Seiten der Behörden und der Politik konfrontiert werden.

Halbleiterhersteller und Marktforschungsunternehmen prognostizieren auch einen wachsenden Markt für Nieder- und Hochspannungsanwendungen in Elektrofahrzeugen, von effizienteren Batterien bis hin zu Batteriewechselrichtern für die Traktion.

Dies ist ein Bereich, der bisher von SiC-Bauelementen dominiert wurde, die wie GaN als Halbleiter mit breiter Bandlücke (WBG) und hoher Elektronenbeweglichkeit eingestuft werden, die es ermöglichen, leistungselektronische Komponenten kleiner, schneller, zuverlässiger und effizienter zu machen als ihre Gegenstücke auf Siliziumbasis.GaN hat eine Bandlücke von 3,4 eV, verglichen mit 2,2 eV für SiC und 1,12 eV für Si.

GaN- und SiC-Leistungshalbleiter arbeiten bei höheren Frequenzen, bieten schnellere Schaltgeschwindigkeiten und einen geringeren Leitungswiderstand als Silizium. SiC-Bauelemente können mit höheren Spannungen betrieben werden, während GaN-Bauelemente ein schnelleres Schalten bei geringerer Energie ermöglichen, wodurch Größe und Gewicht reduziert werden können. SiC ist für Spannungen bis zu 1200 Volt geeignet, während GaN im Allgemeinen für Spannungen bis zu 650 Volt als besser geeignet angesehen wird, obwohl in letzter Zeit auch Komponenten für höhere Spannungen eingeführt wurden.

GaN kann im Vergleich zu GaAs und anderen Halbleitern eine etwa 10-mal höhere Leistung im Frequenzbereich liefern (Abbildung 1).

Abbildung 1: Vergleich der Leistungselektronik im Mikrowellenfrequenzbereich. (Quelle: Analog Devices, Inc.)

Designüberlegungen

Es wird geschätzt, dass 70 % oder mehr der weltweit verbrauchten elektrischen Energie von der Leistungselektronik verarbeitet wird. Dank der WBG-Eigenschaften von GaN können Entwickler kleinere leistungselektronische Systeme entwickeln, die eine höhere Leistungsdichte, einen besseren Wirkungsgrad und ultraschnelle Schaltgeschwindigkeiten aufweisen.

Die Technologie ermöglicht Innovationen in zahlreichen Märkten, unter anderem in der Leistungselektronik, der Automobilindustrie, der Solarenergiespeicherung und in Rechenzentren. GaN-Bauteile sind äußerst strahlungsbeständig und eignen sich daher gut für neue Anwendungen im Militär und in der Luft- und Raumfahrt.

Einige Elektronikentwickler haben sich aufgrund falscher Vorstellungen über die Materialkosten von GaN-Leistungsbauelementen ferngehalten. Während die Herstellung von GaN-Substraten anfangs viel teurer war als die von Si, hat sich dieser Unterschied inzwischen erheblich verringert, und das Angebot verschiedener Substrate bietet die Möglichkeit, den besten Kompromiss zwischen Kosten und Leistung zu finden.

GaN-on-SiC bietet das größte Marktpotenzial für die Entwicklung mit dem besten Kompromiss aus Kosten und Leistung. Mit den Optionen GaN-on-Si und GaN-on-Diamond kann jedoch das am besten geeignete Substrat ausgewählt werden, um die Preis-/Leistungsanforderungen aller Unternehmen und Kunden zu erfüllen.

Aufgrund der sehr hohen Schaltfrequenzen von GaN müssen Entwicklungsteams besonders auf elektromagnetische Interferenzen (EMI) achten und darauf, wie diese im Power-Loop-Layout abgeschwächt werden können. Aktive Gate-Treiber, die zur Vermeidung von Spannungsüberschwingungen unerlässlich sind, können die EMI von Schaltwellenformen reduzieren.

Ein weiteres wichtiges Designproblem sind die parasitäre Induktivität und Kapazität, die zu einer falschen Auslösung führen können. Die Maximierung der Performancevorteile hängt von der optimalen Anordnung der seitlichen und vertikalen Leistungsschleifen und der Anpassung der Geschwindigkeit des Treibers an die Geschwindigkeit der Komponente ab.

Auch das Wärmemanagement muss optimiert werden, um eine übermäßige Erwärmung zu vermeiden, die die Performance und Zuverlässigkeit beeinträchtigen kann. Die Gehäuseoption sollte nach ihrer Fähigkeit bewertet werden, Induktivitäten zu reduzieren und Wärme abzuleiten.

Analog Devices liefert GaN-Leistungsverstärker

Elektronische Systeme erfordern eine Umwandlung zwischen der Spannung der Energieversorgung und der Spannung der zu versorgenden Schaltkreise. Das seit langem zu den führenden Halbleiterherstellern gehörende Unternehmen Analog Devices, Inc. (ADI) hat es sich zum Ziel gesetzt, branchenführende GaN-Leistungsverstärker in Verbindung mit Support zu liefern, so dass Entwicklungsteams höchste Leistungsziele erreichen und ihre Lösungen schneller auf den Markt bringen können.

Gate-Treiber und Abwärtsregler sind für die Maximierung der Vorteile von GaN-Leistungsbauteilen unerlässlich. GaN-Halbbrückentreiber verbessern die Schaltleistung und den Gesamtwirkungsgrad von Stromversorgungssystemen. DC/DC-Abwärtswandler wandeln eine höhere Eingangsspannung in eine niedrigere Ausgangsspannung um.

ADI bietet den LT8418 an, einen 100V-Halbbrücken-GaN-Treiber, der obere und untere Treiberstufen, Treiberlogiksteuerung, Schutzfunktionen und einen Bootstrap-Schalter integriert (Abbildung 2). Er kann für synchrone abwärts- oder aufwärtswandelnde Halbbrücken-Topologien konfiguriert werden. Split-Gate-Treiber passen die Ein- und Ausschaltflanken von GaN-FETs an, um die EMI-Leistung zu optimieren.

Abbildung 2: Schaltplan des GaN-basierten DC/DC-Schaltwandlers LT8418 von ADI. (Quelle: Analog Devices, Inc.)

Die GaN-Treiber-Eingänge und -Ausgänge von ADI weisen standardmäßig einen Low-Pegel-Zustand auf, um ein falsches Einschalten der GaN-FETs zu verhindern. Mit einer schnellen Laufzeitverzögerung von 10 ns und einer Verzögerungsanpassung von 1,5 ns zwischen dem oberen und dem unteren Kanal eignet sich der LT8418 für Hochfrequenz-DC/DC-Wandler, Motortreiber, Audioverstärker der Klasse D, Stromversorgungen für Rechenzentren und eine breite Palette von Stromversorgungsanwendungen im Verbraucher-, Industrie- und Automotive-Bereich.

Der LTC7890 und der LTC7891 (Abbildung 3) sind hochleistungsfähige, zwei- bzw. einkanalige DC-Abwärtsschaltregler für die Ansteuerung von synchronen N-Kanal-GaN-FET-Leistungsstufen mit Eingangsspannungen bis zu 100 V. Diese Regler sind darauf ausgerichtet, viele der Herausforderungen zu bewältigen, die bei der Verwendung von GaN-FETs auftreten, und vereinfachen das Anwendungsdesign, da sie keine Schutzdioden oder andere zusätzliche externe Komponenten benötigen, die normalerweise bei Silizium-MOSFET-Lösungen verwendet werden.

Abbildung 3: Der Abwärtsregler LTC7891 von ADI. (Quelle: Analog Devices, Inc.)

Jeder Regler bietet die Möglichkeit, die Gate-Treiberspannung von 4 V bis 5,5 V präzise einzustellen, um die Performance zu optimieren und die Verwendung verschiedener GaN-FETs und Logikpegel-MOSFETs zu ermöglichen. Interne intelligente Bootstrap-Schalter verhindern ein Überladen des BOOSTx-Pins auf die High-Side-Treiberversorgungen des SWx-Pins während der Totzeiten und schützen das Gate des oberen GaN-FETs.

Beide Komponenten optimieren intern das Gate-Treiber-Timing an beiden Schaltflanken für Totzeiten nahe Null, was die Effizienz verbessert und einen Hochfrequenzbetrieb ermöglicht. Die Totzeiten können mit externen Widerständen eingestellt werden. Die Komponenten sind mit seitlich benetzbaren Flanken in vier flachen Gehäusen (QFN) erhältlich. Die Schaltpläne zeigen typische Anwendungsschaltungen mit dem 40-poligen, 6 mm x 6 mm großen LTC7890 (Abbildung 4) und dem 28-poligen, 4 mm x 5 mm großen LTC7891 (Abbildung 5).

Abbildung 4: Schaltplan einer typischen Anwendungsschaltung mit dem LTC7890 von ADI. (Quelle: Analog Devices, Inc.)

Abbildung 5: Schaltplan eines Abwärtsreglers unter Verwendung des 28-poligen LTC7891 von ADI. (Quelle: Analog Devices, Inc.)

Darüber hinaus können auch die Vorteile eines Portfolios aus Energiemanagement-Tools von ADI genutzt werden, um die Leistungsziele für die Stromversorgung zu erreichen und die Boards zu optimieren. Das Toolset umfasst einen Widerstandskalkulator, einen Signalketten-Leistungskonfigurator und eine Windows-basierte Entwicklungsumgebung.

Fazit

GaN ist ein revolutionäres Halbleitermaterial, das zur Herstellung von Komponenten mit hoher Leistungsdichte, ultraschnellen Schaltgeschwindigkeiten und überragender Energieeffizienz verwendet wird. Die GaN-FET-Gate-Treiberprodukte von ADI können genutzt werden, um zuverlässigere und effizientere Systeme mit weniger Komponenten zu entwickeln, was zu kleineren Systemen mit geringerem Platzbedarf und Gewicht führt.