FBH-Forschung: 20.11.2012

Schnelles und effizientes Schalten mit GaN-Leistungstransistoren

Abb. 1: 100 mΩ / 300 V GaN-Schalttransistoren mit 4,5 mm × 2,4 mm Chipgröße auf einem 3" Wafer
Abb. 2: Gepulstes Ausgangskennlinienfeld eines GaN-basierten Leistungstransistors mit 150 mm Gateweite und einem Eingangswiderstand RON = 80 mΩ bei 5 V Gatespannung
Abb. 3: Schalttransienten während des Ein- (li) und Ausschaltens (re) eines GaN-Transistors mit 150 mm Gateweite für 150 V Sperrspannung und 6 A Strom im eingeschaltetem Zustand. Die Anstiegs- und Abfallzeiten liegen bei jeweils 20 ns. Messung: TU Berlin

Elektronische Leistungskonverter, die im Automobilbereich oder anderen mobilen Anwendungen eingesetzt werden, sollen ein möglichst kleines Volumen aufweisen und leicht sein. Technisch ist das durch eine Erhöhung der Schaltfrequenz möglich. Passive Komponenten wie z.B. Induktivitäten können dann immer kleiner und leichter gebaut werden. Voraussetzung hierfür sind jedoch verfügbare, effiziente Schalttransistoren.

Um die Schaltverluste des Transistors zu minimieren, sollte die Übergangszeit zwischen dem eingeschalteten Transistorzustand (geringe Leitungsverluste durch geringen Spannungsabfall bei hohem Strom) und dem ausgeschalteten Transistorzustand (geringe Sperrverluste durch kleinen Leckstrom bei voller Sperrspannung) möglichst kurz sein. In diesem Zeitraum fließt bei anliegender Spannung gleichzeitig Strom, d.h. Leistung wird verbraucht. Die Schaltgeschwindigkeit des Transistors hängt davon ab, wie schnell die für den Umschaltvorgang notwendige elektrische Ladung auf die Steuerelektrode (das Gate) gebracht werden kann, um den Transistorkanal zu öffnen bzw. wieder zu schließen. Das Produkt aus Einschaltwiderstand RON und Gateladung QG ist daher ein Maß für den inhärenten Schaltverlust einer Transistortechnologie.

GaN-basierte Hochspannungsschalttransistoren bieten sowohl einen geringen flächenspezifischen Einschaltwiderstand RON als auch eine geringe Gatekapazität. Das ermöglicht besonders geringe Schaltverluste und  damit hochfrequente und gleichzeitig effiziente Konverter.

Das FBH entwickelt selbstsperrende, auf der p-GaN Gate-Technologie basierende GaN-Transistoren. Mit 150 mm Gateweite wurden Schalttransistoren realisiert, die bei 300 V Sperrfähigkeit einen Einschaltwiderstand von RON = 100 mΩ und einen maximalen Pulsstrom von 75 A aufweisen.

Zur Analyse von deren Schalteigenschaften wurde an der TU Berlin, Fachgebiet Leistungselektronik ein Doppelpuls-Schaltmessplatz mit induktiver Last aufgebaut. Die Schalttransienten wurden dort mit < 5 ns Zeitauflösung gemessen. Dabei wurden Anstiegs- bzw. Abfallzeiten von nur 20 ns ermittelt falls der Transistor zwischen einer Leerlaufspannung von 150 V und einem Strom von 6 A hin- und herschaltet. Bei einem Konverterbetrieb mit 1 MHz Schaltfrequenz würden dann Transistorschaltverluste nur während weniger als  10% der Zykluszeit auftreten. Die für den Schaltvorgang nötige Gateladung wurde mit QG = 5,5 nC bestimmt. Das daraus resultierende, den Ladungsaustausch bestimmende Produkt muss so klein wie möglich sein. Bei den getesteten für 300 V Durchbruchspannung optimierten GaN-Transistoren ist  RON x QG mit 0,55 ΩnC um den Faktor 4 besser als ein Si-Schalttransistor gleicher Spannungsklasse.

Publikationen

O. Hilt, F. Brunner, E. Cho, A. Knauer, E. Bahat-Treidel, J. Würfl, "Normally-off High-Voltage p-GaN Gate GaN HFET with Carbon-Doped Buffer", Proc. Int. Symp. on Power Semiconductor Devices & IC's (ISPSD), San Diego, CA, May 23-26, pp. 239-242 (2011).

O. Hilt, E. Bahat-Treidel, E. Cho, S. Singwald,  J. Würfl, "Impact of Buffer Composition on the Dynamic On-State Resistance of High-Voltage AlGaN/GaN HFETs", Proc. Int. Symp. on Power Semiconductor Devices & IC's (ISPSD), Bruges / Belgium, 3-7 June, pp. 345-348 (2012).

N. Badawi, P. Knieling, S. Dieckerhoff: "High Speed Gate Driver Design for Testing and Characterizing WBG Power Transistors", Proc. EPE-PEMC (2012).