GaN-Produkte und -Ressourcen für Leistungsanwendungen bei DigiKey

In meinem Posteingang und den Medien-Streams, denen ich folge, geht es immer häufiger um technische Inhalte, die GaN zum Thema haben. Viele dieser Inhalte drehen sich um den hohen Wirkungsgrad von GaN und die Größenvorteile gegenüber herkömmlichem Silizium. Da GaN im Leistungsdesign von drahtlosen Ladelösungen bis hin zur Telekommunikationsinfrastruktur immer häufiger zum Einsatz kommt, habe ich mir gedacht, dass einige Hintergrundinformationen sowie eine Übersicht zu einigen relevanten GaN-Produkten und -Ressourcen, die aktuell bei DigiKey verfügbar sind, hilfreich sein könnten.

Was ist GaN?

Galliumnitrid (GaN) ist ein Halbleitermaterial mit großer Bandlücke, das eine hohe Elektronenbeweglichkeit bietet. Auf Transistorebene ermöglicht GaN höhere Ströme, höhere Schaltgeschwindigkeiten und geringere physische Abmessungen als herkömmliche Silizium-Transistoren. GaN-Schalterarchitekturen im Anreicherungsmodus (e-GaN) und GaN-Kaskoden-Schalterarchitekturen im Verarmungsmodus (cascode d-GaN) sind ebenfalls verfügbar.

(Bildquelle: Texas Instruments)

Bei einem e-GaN-Schalter handelt es sich um einen selbstsperrenden GaN-HEMT (High Electron Mobility Transistor - Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit), der wie ein normaler MOSFET funktioniert, aber mehr Aufmerksamkeit beim Design des Gate-Treibers erfordert. Empfohlen werden Gate-Treiber, die speziell für das Schalten von e-GaN-HEMT konzipiert wurden. Der GaN-Kaskodenschalter im Verarmungsmodus nutzt einen selbstleitenden GaN-HEMT im Verarmungsmodus, der in einer Kaskodenstruktur mit einem Silizium-MOSFET in Reihe geschaltet ist. Der Silizium-MOSFET steuert das Ein- und Ausschalten des GaN-HEMT im Kaskodenschalter, weswegen standardmäßige MOSFET-Gate-Treiber verwendet werden können. Bauteile mit einem GaN-HEMT und dem zugehörigen GaN-Gate-Treiber sind ebenfalls verfügbar.

(Bildquelle: Infineon)

GaN-Anwendungen

Die Verwendung von GaN in Leistungsanwendungen ist stark gestiegen, da mehr Anbieter Produkte auf den Markt bringen. Die Vorteile von GaN gegenüber Silizium sind unter anderem höhere Schaltfrequenzen, geringere Verluste und geringere physische Abmessungen. Entwickler haben dadurch mehr Auswahl beim Design von platzsparenden Leistungskreisen mit hohem Wirkungsgrad. Von GaN profitieren insbesondere Anwendungen, für die ein hoher Wirkungsgrad erforderlich oder nur wenig Platz vorhanden ist. Mögliche Einsatzgebiete sind Server, Telekommunikation, Adapter/Ladegeräte, drahtlose Ladelösungen sowie Klasse-D-Audio.

GaN-Produkte

GaN-FET, Treiber und integrierte Komponenten sind bei DigiKey erhältlich. Zu den Herstellern gehören unter anderem EPC, Infineon, Navitas, Texas Instruments und transphorm.

EPC

(Bildquelle: EPC)

Seit der Einführung von GaN-Transistoren (eGaN®) im Anreicherungsmodus 2009 hat sich viel getan und EPC bietet jetzt eine breite Auswahl an GaN-FET und integrierten GaN-Komponenten an. FET sind sowohl als einzelne Transistoren als auch als Arrays verfügbar. Einzelne Transistoren sind mit Vdss-Nennspannungen von bis zu 200 V und einem Dauer-I_D von bis zu 90 A (TA = 25 °C) erhältlich. Die Transistor-Arrays sind in Konfigurationen mit doppelter gemeinsamer Quelle, Halbbrücke und Halbbrücke plus synchronem Bootstrap erhältlich. Empfohlene Gate-Treiber sind in EPCs How2AppNote 005 angegeben. Der EPC2152 ist eine Einzelchip-Treiber- plus GaN-FET-Halbbrücken-Leistungsstufe, die die proprietäre GaN-IC-Technologie von EPC nutzt. Eingangslogik-Schnittstelle, Pegelwandlung, Bootstrap-Ladung und Gate-Treiber-Pufferschaltungen sowie eGaN-Ausgangs-FETs in Halbbrückenkonfiguration sind in einem monolithischen Chip integriert. Das Ergebnis ist eine Komponente im chipgroßen LGA-Formfaktor, die nur 3,9 mm x 2,6 mm x 0,63 mm misst.

Die Komponenten von EPC sind in einem chipgroßen Gehäuse untergebracht und GaN-Transistoren sind sehr viel kleiner als ihre Gegenstücke aus Silizium. Diese Kombination ergibt beträchtlich kleinere Komponenten, die weniger Platinenplatz belegen und kostengünstiger sind. Die kompaktere Bauweise und die höhere Leistung von GaN-Komponenten ermöglicht Designs, die mit größeren Silizium-Komponenten nicht möglich sind. Evaluierungs- und Demonstrationskarten sind für die FET und IC von EPC erhältlich. Die Karten umfassen Zugriff auf Kurzanleitungen, Schaltbilder, Stücklisten und Gerber-Dateien.

Infineon

Infineon hat Leistungskomponenten auf Halbleiterbasis in Silizium- (Si), Siliziumcarbid- (SiC) und Galliumnitrid-Technologie (GaN) im Angebot. In GaN-Technologie hat Infineon die (selbstsperrenden) 600-V-GaN-Leistungstransistoren CoolGaN™ im Anreicherungsmodus und die isolierten Einkanal-Gate-Treiber-IC der EiceDRIVER™-Familie für Hochspannungs-GaN-Schalter entwickelt. Die Gate-Treiber-ICs 1EDF5673K, 1EDF5673F und 1EDS5663H der EiceDRIVER™-Familie ergänzen sich ideal mit den CoolGaN™-Leistungs-FET. Entscheidende Vorteile der GaN-Familie EiceDRIVER™ sind u. a. positive und negative Gate-Treiberströme, eine feste Gate-Spannung von null im gesperrten Zustand und eine integrierte galvanische Trennung.

(Bildquelle: Infineon)

Das EVAL2500WPFCGANATOBO1 ist ein 2500W-Vollbrücken-Totempole-Evaluierungsboard zur Blindleistungskompensation mit CoolGaN™-FETs und EiceDRIVER™-GaN-Treiber-ICs. Das e-Mode-GaN-HEMT-basierte Evaluierungsboard EVALAUDAMP24TOBO1 ist ein Halbbrücken-Audio-Leistungsverstärker der Klasse D mit 2 Kanälen für 225 W/Kanal (4 Ω bei ±43 V) oder 250 W/Kanal (8 Ω bei ±63 V) für High-End-HiFi-Audiosysteme.

Navitas

Navitas bietet integrierte GaN-Leistungsschaltkreise an. Bei den IC handelt es sich um GaN-Chips mit GaN-Leistungs-FET, Gate-Treiber und Logik. Da sich der komplette Schaltkreis in einem einzigen Chip befindet, ergeben sich enorme Vorteile bei Größe, Schaltgeschwindigkeit, Wirkungsgrad und Integrationsfreundlichkeit. Bei den NV6113, NV6115, NV6117, NV6123, NV6125 und NV6127 handelt es sich um Einzelschalter-Komponenten, die in Topologien wie Buck, Boost, Halb- und Vollbrücken eingesetzt werden können. Mit dem NVE031E steht ein Stromversorgungs-Demonstrationsboard zur Verfügung, das den NV6115 verwendet.

Texas Instruments

Texas Instruments hat sowohl GaN-Treiber als auch integrierte GaN-Leistungsstufen im Angebot. Die Treiber geben Entwicklern Flexibilität bei der Wahl der GaN-Ausgangs-FET, um speziellen Anforderungen gerecht zu werden. Integrierte Leistungsstufen minimieren die parasitäre Induktivität, um die Schaltleistung zu erhöhen und den Platzbedarf auf der Karte zu verringern.

Zu den GaN-Treibern von TI gehören der LMG1205, der LMG1210, der LMG1020, der LMG1025 und der LM5113-Q1. Der LMG1205 ist als Halbbrückentreiber sowohl für High-Side- als auch für Low-Side-GaN-FETs im Anreicherungsmodus in einer synchronen Buck-, Boost- oder Halbbrückenkonfiguration konzipiert. Der LMG1210 entspricht hinsichtlich der Funktion dem LMG1205, bietet jedoch überlegene Schaltleistung, eine per Widerstand konfigurierbare Totzeit und einen internen LDO-Regler für einen größeren VDD-Bereich. Auf den LMG12xx-Evaluierungskarten kommen der LMG1205HBEVM und der LMG1210EVM-012 zum Einsatz. Der LMG1020 und der LMG1025 sind einzelne Low-Side-Treiber, die zur Ansteuerung von GaN-FETs und Logik-MOSFETs in Highspeed-Anwendungen konzipiert wurden. Evaluierungsboards für diese Komponenten sind das LMG1020EVM-006 und das LMG1025-Q1EVM. Der Halbbrückentreiber LM5113-Q1 verfügt über eine AEC-Q100-Zulassung und ist sowohl für das Treiben von High-Side- als auch für Low-Side-GaN-FETs im Anreicherungsmodus oder für Silizium-MOSFETs in einer synchronen Buck-, Boost- oder Halbbrückenkonfiguration für Anwendungen im Automobilbereich konzipiert. Das zugehörige Evaluierungsboard ist das LM5113LLPEVB.

(Bildquelle: Texas Instruments)

Die LMG3410, LMG3411 und LM5200 gehören zu den integrierten Leistungsstufen-Komponenten von TI. Im LMG3410 und im LMG3411 sind ein 600V-GaN-FET, ein Treiber und eine Schutzschaltung integriert. Zu den LMG34xx-Evaluierungsboards gehören das LMG3411EVM-029, LMG34XX-BB-EVM, LMG3411EVM-018 und LMG3410EVM-018. Der LMG5200 enthält zwei 80V-GaN-FETs, die von einem Hochfrequenz-GaN-FET-Treiber in einer Halbbrückenkonfiguration angesteuert werden. Evaluierungskarten für dieses Produkt sind die LMG5200EVM-02 und die BOOSTXL-3PHGANINV.

transphorm

transphorm schließlich bietet GaN-Leistungsschalter auf der Basis eines selbstsperrenden Niederspannungs-Silizium-MOSFET und eines selbstleitenden Hochspannungs-GaN-HEMT in Kaskodenkonfiguration an.

(Bildquelle: transphorm)

GaN-Komponenten von transphorm verhalten sich wie ultraschnelle FET mit Substratdioden mit geringer Ladung. Leistungsvorteile gegenüber herkömmlichem Silizium sind eine niedrige Erholladung sowie eine kurze Erholzeit. Die Schalter bieten extrem schnelle Anstiegszeiten von weniger als 10 ns. Die Komponenten sind sowohl mit 650 V als auch mit 900 V erhältlich. Mehrere Evaluierungskarten sind ebenfalls erhältlich, inklusive AC/DC-Wandler und DC/AC-Wechselrichter.

Zusätzliche Ressourcen:

1 – Die Referenzdesignbibliothek von DigiKey enthält verschiedene Referenzentwürfe auf GaN-Basis.