Schnell schaltende GaN-Leistungskerne

Laterale GaN-Transistoren weisen durch ihre extrem kleinen Bauelementkapazitäten und geringen Gateladungen sehr hohe Grenzfrequenzen bis in den 10 GHz-Bereich auf. Sie eignen sich daher für hochkompakte und trotzdem effiziente Leistungskonverter, die bei sehr hohen Taktfrequenzen betrieben werden. Tatsächlich limitieren oft nicht die GaN-Schalter die einsetzbare Taktfrequenz, sondern parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten der Bauelementgehäuse und der Schaltungsplatine.

Daher ist die Entwicklung von Schaltumgebungen mit niedrigen parasitären Induktivitäten und niedriger thermischer Impedanz – sogenannte schnelle Leistungskerne – der Schlüssel, um die inhärenten Vorteile der GaN-Schalter voll auszuspielen und Konverter mit höherer Leistungsdichte realisieren zu können. Dabei setzen wir sowohl hybride Aufbautechnologien als auch die monolithische Integration auf dem GaN-Chip ein.

Auf AlN-Keramik hybrid aufgebauter 10 A/400 V GaN-Halbbrücken-Leistungskern mit Gatetreibern und DC-Link-Kondensatoren

Detail eines AlN-basierten GaN-Leistungskerns mit GaN-Halbbrückenchip, Gatetreibern und DC-Link-Kondensatoren
Simulierte parasitäre Induktivitäten unterschiedlicher GaN-Halbbrückenmodule
Parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten unterschiedlicher GaN-Halbbrückenmodule

Unsere GaN-basierten 650 V Schalttransistoren weisen eine besonders niedrige Gateladung und eine niedrige Ausgangskapazität auf, wodurch 400 V Schalttransienten mit einer Anstiegsgeschwindigkeit von bis zu 200 V/ns entstehen können. Schon kleine parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten führen dann zu Schwingungen in den Schalttransienten und zu erhöhten Schaltverlusten.
Mit unserer Front-End- und Back-End Prozesstechnologien haben wir besonders niederinduktive hybrid aufgebaute Halbbrückenmodule entwickelt, die neben den GaN-Chips die Gatetreiber und DC-Link-Kondensatoren enthalten. Die Aluminiumnitrid (AlN) Keramik sorgt für optimale Entwärmung. Die Kombination aus aktiven und passiven SMD-Bauteilen mit den drahtgebondeten GaN-Chips mittels zweier Hochstrom-Metallebenen auf engstem Raum erlaubt minimale parasitäre Induktivitäten und besonders kleine Gatekreis- und Leistungskreisschleifen. Die Integration von monolithisch integrierten GaN-Halbbrückenchips auf dem AlN-basierten Leistungskern führt zu noch kleineren Leistungskreisschleifen.
Das Potenzial der AlN-basierten Leistungskerne wurde durch Simulation der parasitären Streuinduktivität der Kommutierungsschleife quantifiziert, ein wesentlicher Parameter, der das Überschwingen der transienten Abschaltspannung, die Schaltverluste sowie die Stabilität der Schaltübergänge beeinflusst. Im Vergleich zu einem herkömmlichen PCB GaN-Halbbrückenaufbau zeigen AlN-basierte Leistungskerne eine deutlich niedrigere Induktivität der Kommutierungsschleife. Die Tabelle fasst die Layout-bezogenen parasitären Schaltungselemente wie die Streuinduktivität der Kommutierungsschleife (Lσ) und die parasitäre Kapazität des Schaltknotens (Cpar) zusammen. Dies sind Parameter, die sich auf den Schaltvorgang des Moduls auswirken. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von AlN (170 W/mK) ist die Kühlfähigkeit der Hybridmodule außerdem deutlich besser. Der Wärmewiderstand des AlN-basierten Leistungskerns ist zehnmal kleinerer als der des Referenz-PCB-Aufbaus.

VHF Konvertermodul mit GaN Halbbrückenchip und Luftspulen
Der GaN Halbbrückenchip enthält neben den beiden Leistungsschaltern Q1 und Q2 auch die beiden Gatetreiber
Wirkungsgrad und Ausgangsspannung des VHF GaN-Buckkonverters beim Betrieb mit 100 MHz Taktfrequenz

Während die niedrigen Gateladungen und hohen Schaltsteilheiten von lateralen GaN-Transistoren Konverter-Taktfrequenzen im hohen MHz-Bereich ermöglichen sollten, beginnen die Magnetisierungsverluste in den Ferriten der Induktivitäten die Konverterverluste oberhalb einiger MHz zu dominieren. Magnetisierungsverluste lassen sich mithilfe von eisenlosen Luftspulen vermeiden. Allerdings erfordert deren wesentlich kleinere Induktivität extrem hohe Konvertertaktfrequenzen oberhalb ~50 MHz. In einem Test haben wir einen MMIC-Halbbrückenchip in 0,25 µm GaN-Technologie, der normalerweise für digital schaltende RF-Transmitter eingesetzt wird, als synchronen Tiefsetzsteller mit zwei Luftspulen konfiguriert und bei 100 MHz Taktfrequenz betrieben. Die monolitisch integrierte Leistungshalbbrücke besteht aus zwei 60 V/1,5 Ohm GaN-Schaltern mit 30 GHz Grenzfrequenz, die durch ebenfalls monolithisch integrierte Gatetreiber angesteuert werden.

Für den 30 V nach 25 V Betrieb wurden 14 W Leistung und 87.5% Wirkungsgrad des Leistungskreises erreicht. Selbst bei 1 GHz Taktfrequenz wurde noch ein Wirkungsgrad von 78% erreicht.

Derartige hoch getaktete VHF-Konverter sind z.B. für den Betrieb von sehr effizienten Envelope-Tracking RF-Verstärkern für die drahtlose Kommunikation nötig, da sie schnell genug die Betriebsspannung der RF-Verstärkertransistoren modulieren können.

Weiterhin zeigt diese Kooperation aus dem GaN Power Electronic Devices Lab und dem Digital PA Lab, dass moderne Leistungselektronik sich der Methoden der Hochfrequenztechnik bedienen muss, um auch bei zunehmender Konverterleistungsdichte die Verluste klein zu halten.