FBH-Forschung: 02.10.2018

Bidirektionale GaN-HFETs zur Leistungsumrichtung mit T-Typ Konvertern

Prinzipskizze eines T-Typ Umrichters
Abb. 1: Prinzipskizze eines T-Typ Umrichters zur Leistungskonversion von Gleichstrom zu Wechselstrom
Schematischer Querschnitt eines uni- (l.) und bidirektionalen (r.) GaN-HFETs
Abb. 2: Schematischer Querschnitt eines uni- (l.) und bidirektionalen (r.) GaN-HFETs. Der bidirektionale GaN-HFET kann von links nach rechts mit S1, G1 und D1 als Source, Gate und Drain betrieben werden oder von rechts nach links (S2, G2, D2) betrieben werden
Bändchengebondeter Chip mit zwei bidirektionalen 600 V/200 mOhm GaN- HFETs
Abb. 3: Bändchengebondeter Chip mit zwei bidirektionalen 600 V/200 mOhm GaN-HFETs
Waferverteilung spezifischer Einschaltwiderstand für bi- und unidirektionale GaN-HFETs
Abb. 4: Waferverteilung des spezifischen Einschaltwiderstands für bi- (l. + m., 97 mm Gateweite) und unidirektionale (r., 92 mm Gateweite) GaN-HFETs
Drainsperrleckströme bi- und unidirektionaler GaN-HFET
Abb. 5: Drainsperrleckströme eines bidirektionalen GaN-HFETs (blau, beide Betriebsrichtungen) und eines unidirektionalen GaN-HFETs vom selben Wafer.
Drainspannungstransiente während eines 10 A/400 V Ausschaltereignisses
Abb. 6: Drainspannungstransiente während eines 10 A/400 V Ausschaltereignisses von zwei bidirektionalen GaN-HFETs in beide Betriebsrichtungen und einem unidirektionalen GaN-HFET. Gateweiten entspr. Abb. 4.

Leistungselektronische Schalttransistoren werden in Schaltnetzteilen zur Leistungsumwandlung eingesetzt. Während dabei die meisten Transistoren nur in eine Richtung Strom leiten oder Spannung sperren, gibt es auch Schalter, die in beide Richtungen betrieben werden. So bietet etwa der T-Typ-Umrichter neben positiver und negativer Ausgangsspannung ein drittes 0 V Niveau an (Abb. 1). Die Leistungszelle besteht aus zwei verschränkten Tiefsetzstellern (top und bottom cell) und benötigt drei Schalttransistoren, T1-T3. Für den ausgangsseitigen Betrieb an einem Wechselstromsystem kommen dabei die beiden Tiefsetzsteller entsprechend der Wechselstromfrequenz (50 Hz) abwechselnd zum Einsatz und durch den resultierenden Polaritätswechsel der Ausgangsspannug VM muss der Schalter T2 (Abb. 1) bidirektional sperrfähig sein. Die Schalter T1 und T3 werden nur unidirektional betrieben. Ein weiteres Beispiel sind Matrixumrichter, die ein Dreiphasen-Drehstromsignal direkt in ein zweites Drehstromsignal mit anderer Frequenz umrichten können. Dafür werden neun bidirektionale Schalttransistoren benötigt, aber dafür kann in dem  Konverter die Gleichsspannungs-Zwischenstufe eingespart werden, die bei anderen Konvertertopologien benötigt wird.

In silizumbasierter Bauelementtechnologie muss die bidirektionale Funktionalität von T2 durch zwei antiseriell geschaltete unidirektionale Si-IGBTs oder Si-MOSFETs, T2a und T2b, erreicht werden. Die Reihenschaltung von T2a and T2b erhöht aber die Leistungsverluste beim Betrieb mit VM = 0 V, da sich der Einschaltwiderstand durch den Einsatz der beiden unidirektionalen Transistoren verdoppelt. Diese Begrenzung lässt sich durch einen inhärent bidirektional arbeitenden GaN-HFET überwinden.

Das FBH fertigt mit einer standardisierten Prozessfolge unidirektionale GaN-basierte 600 V Schalttransistoren für leistungselektronische Anwendungen mit Einschaltwiderständen bis hinunter zu 70 mΩ. Ein p-GaN-Gatemodul ermöglicht dabei selbstsperrendes Verhalten. Ein bidirektionaler 600 V Transistor kann auf dieser Plattform dank des lateralen Bauelementkonzepts der GaN-HFETs problemlos realisiert werden (Abb. 2). Zum Drain (D1) hin wird in der Driftzone ein zweites Gate (G2) eingefügt, welches beim rückwärtigen Transistorbetrieb die Stromsteuerung übernimmt. Dabei wechselt das vormalige Drain D1 zur Source S2, und das vormalige Source S1 wird zum Drain D2. Dieses bidirektionale Bauelement ist voll symmetrisch aufgebaut und nutzt denselben Strompfad zwischen Source und Drain für den Betrieb in beide Richtungen.

Bidirektionale GaN Transistoren mit 97 mm Gateweite (Abb. 3) wurden für den Einsatz von T-Typ-Umrichtern mit kW-Leistungen hergestellt und mit unidirektionalen GaN-HFETs verglichen, die vom selben Wafer stammen. Der spezifische Einschaltwiderstand der bidirektionalen Transistoren ist dabei in beide Betriebsrichtungen gleich und nur um 3 % größer als für die unidirektionale Variante (Abb. 4). Der Drainleckstrom im gesperrten Zustand bleibt für beide Richungen des bidirektionalen Transistors und für den unidirektionalen Transistor unterhalb 5 µA (Abb. 5). Während des harten 10 A / 600 V Schaltens mit induktiver Last zeigen beide Varianten für das Ausschalten eine ähnliche Spannungssteilheit von 60 V/ns (Abb. 6). Durch die benötigten zwei Gatetreiber zum Betrieb des bidirektionalen Schalters ist die Gatekreisinduktivität etwas erhöht. Daher zeigen die Spannungstransiente der bidirektionalen Schalter ein höheres Überschwingen.

Zusammenfassend zeigt sich, dass bidirektionale Schalttransistoren auf Basis von lateralen GaN-HFETs einfach zu realisieren sind. Eine Driftzone kann für beide Betriebsrichtungen eingesetzt werden. Dies ist ein klarer Vorteil gegenüber 600 V Bauteilen in Si-Technologie, die aufgrund des vertikalen Bauelementkonzepts nicht bidirektional betrieben werden können. Die bidirektionalen GaN-HFETs zeigen sowohl bei der statischen Charakterisierung als auch im Schaltbetrieb vergleichbare Eigenschaften wie die unidirektionalen Varianten, wodurch sie leichter einsetzbar sind.

Publikationen

C. Kuring, O. Hilt, J. Böcker, M. Wolf, S. Dieckerhoff und J. Würfl, "Novel monolithically integrated bidirectional GaN HEMT", IEEE Energy Conversion Congress & Expo 2018 (ECCE 2018), Sept. 23-27 2018, Portland, USA.

M. Wolf, O. Hilt and J. Würfl, "Gate control-scheme of monolithically integrated normally-off bidirectional 600 V GaN HFETs", IEEE Trans. Electron Devices, vol. 65, no. 9, pp. 3878-3883 (2018).