Eine der größten Herausforderungen für die Industrie ist die Reduzierung von Leistungsverlusten. Angesichts des steigenden gesellschaftlichen Drucks und verschärfter staatlicher Vorgaben zur Senkung der CO2-Emissionen investieren zahlreiche Branchen in eine effizientere Leistungsumwandlung und treiben die Elektrifizierung voran. Dazu gehört die Elektrifizierung von Fahrzeugen, Telekommunikation, Serverinfrastruktur und Industrieautomatisierung, wo Leistungselektronik eine immer größere Rolle spielt. Dies wiederum führt zu einer steigenden Nachfrage nach effizienten, innovativen, Feldeffekttransistoren (FETs) unter Verwendung von Galliumnitrid-Technologie (GaN).
Die Effizienzsteigerung in der Leistungsumwandlung ist in der Halbleiterindustrie der wichtigste Treiber für Innovationen im Bereich der Leistungsbauelemente. Unter den verschiedenen Technologien bietet Galliumnitrid (GaN) die größten Leistungsvorteile im Vergleich zu Lösungen auf Basis von Silizium (Si) und Siliziumkarbid (SiC). Insbesondere GaN-Feldeffekttransistoren (FETs) bieten eine herausragende Effizienz bei gleichzeitig niedrigen Systemkosten und ermöglichen leichtere, kompaktere und kühlere Systeme.
Seit der Markteinführung von GaN-Leistungstransistoren und insbesondere von GaN-on-Si-Bauelementen konnten signifikante Verbesserungen in Bezug auf Leistung, Zuverlässigkeit, Kosten und Verfügbarkeit erzielt werden. Es sind nun GaN-Leistungstransistoren mit optimierter Kapazität erhältlich, um höhere Leistungsstufen zu verarbeiten. Sie sind für die Anforderungen von Elektrofahrzeugen ausgelegt und eignen sich ebenso für Rechenzentren, Telekommunikationsinfrastrukturen und industrielle Anwendungen.
Die Elektrifizierung im Automobilsektor dürfte am meisten von der neuen GaN-FET-Technologie profitieren. Für vollelektrische Fahrzeuge (xEVs) ist eine effiziente Leistungsumwandlung entscheidend, da jeder Leistungsverlust die Reichweite — und damit einen der wichtigsten Aspekte von Elektrofahrzeugen — beeinflussen kann. Solche Verluste führen ferner dazu, dass Kühlsysteme zur Ableitung der erzeugten Wärme erforderlich sind. Dadurch wird das Fahrzeugsystem komplexer und vor allem schwerer.
Während sich die Automobilindustrie mit der Lösung zentraler Herausforderungen wie Batteriegewicht und Leistungsdichte befasst, konzentrieren sich die aktuellen Entwicklungen insbesondere auf Verbesserungen in den folgenden Bereichen
Eine effizientere Leistungsumwandlung kann dabei auf verschiedenen Ebenen nützlich sein. So reduziert etwa die Steigerung der Effizienz eines 200-kW-Wechselrichters von 95% auf 99% den Leistungsverlust bei Volllast von 10kW auf 2kW, also auf etwa ein Fünftel. Eine derartige Verlustreduzierung um 8kW wirkt sich einerseits positiv auf die nutzbare Traktionsleistung aus. Zugleich ermöglicht der geringere Kühlbedarf eine Reduzierung von Energieverbrauch, Größe und Gewicht des Kühlsystems. Dies wiederum kann zu einer größeren Reichweite bzw. zur gleichen Reichweite mit einer kleineren Batterie führen.
Die genannten Faktoren belegen, wie wichtig die Erzielung extrem hoher Wirkungsgrade in der Leistungselektronik ist. Leistungstransistoren (Power GaN FETs) auf GaN-on-Silizium-Epitaxie (Epi) können hier einen entscheidenden Beitrag leisten, da sie sowohl eine höhere Effizienz als auch die Skalierbarkeit bieten, die zur Erreichung der Wachstumsziele im xEV-Segment erforderlich ist. Die einfachen Fertigungsschritte (Fab-Prozess) auf Siliziumbasis ermöglichen zudem die günstigste Kostenentwicklung für die kommerzielle Wettbewerbsfähigkeit. Die GaN-Technologie in der Leistungselektronik unterstützt derzeit 400-V-Batteriesysteme mit 650-V-Bauelementen und kann Batteriesysteme mit bis zu 800V mit 1200-V-Leistungs-GaN-Bauelementen bedienen. Der Leistungsbereich kann dabei für beide Anwendungen bis zu 300 kW betragen.
Halbleiter-Leistungsschalter für Hochspannungsanwendungen sind die grundlegenden Bausteine jeder Leistungsumwandlung. Mangels besserer Alternativen beherrschen aktuell IGBTs (Insulated-Gate Bipolar Transistors) auf Siliziumbasis den Markt für Traktionswechselrichter, obwohl die Entwicklungsfähigkeit dieser Technologie bereits an ihre Grenzen stößt. Durch Verbesserungen solcher Si-IGBTs und deren Kombination mit SiC-Dioden konnten schrittweise höhere Wirkungsgrade erzielt werden, doch die Möglichkeiten für weitere Verbesserungen sind begrenzt. Darüber hinaus sind Si-IGBTs in Bezug auf Betriebsfrequenz und Schaltgeschwindigkeit grundsätzlich begrenzt und zeigen eine geringe Leistungsfähigkeit bei hohen Temperaturen und im Schwachstrombereich.
Bei höheren Frequenzen dominiert die Si-Superjunction-Technologie (SJ) den Markt für AC/DC-Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und DC/DC-Wandler. Inhärente Materialbeschränkungen, wie beispielsweise Schaltübergangsverluste, Leitungsverluste und Sperrverzögerungsverluste, begrenzen die erreichbare Effizienz bei hohem Frequenzbetrieb.
Im Gegensatz dazu weisen Wide-Bandgap-Materialien (WBG) wie GaN und SiC keine Sperrverzögerungsverluste auf und ermöglichen aufgrund ihrer sehr schnellen Ein- und Ausschaltzeiten sowohl äußerst geringe Schaltübergangsverluste als auch niedrigere Leitungsverluste. WBG-Materialien mit einem höheren kritischen elektrischen Feld und höherer Beweglichkeit führen zusammen zum geringsten Source-Drain-Einschaltwiderstand RDS(on) für höhere Spannungen sowie einer signifikant besseren Gütezahl (Figure-of-Merit). Die WBG-Bauelemente, die aktuell auf den Markt kommen, sind vielversprechend und beseitigen viele der Beschränkungen, die Si-IGBTs und Si-SJ-Bauelemente naturgemäß mit sich bringen.
Bestimmte komplizierte Schalt-Topologien, bei denen Si-SJ-FETs wegen der Sperrverzögerung der Diode ausscheiden, lassen sich leicht mit Leistungstransistoren (Power GaN FETs) realisieren. Dadurch können alle Vorteile — von weniger Bauteilen über höhere Effizienz bis hin zu einfacheren Steuerungskonzepten — genutzt werden. Durch die schnelleren Schaltzeiten und höheren Betriebsfrequenzen von GaN-Leistungstransistoren werden eine bessere Signalregelung, höhere Grenzfrequenzen für passive Filter und eine reduzierte Stromwelligkeit erreicht. Dies erlaubt den Einsatz kleinerer Induktivitäten, Kondensatoren und Transformatoren. Folglich bietet die kompakte und kleinere Systemlösung auch Kosteneinsparungen.
Abbildung 1 zeigt den Querschnitt eines GaN-HEMT (High Electron Mobility Transistor). Dieser funktioniert durch die Bildung des zweidimensionalen Elektronengases (2DEG), das aufgrund der kombinierten spontanen und piezoelektrischen Polarisation an der Grenzfläche der GaN- und Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN)-Schichten entsteht. Die Epi-Schicht (Epitaxie) wird über eine Keimschicht auf dem Si-Substrat gebildet. Anschließend werden abgestufte (gradierte) Schichten aus GaN und AlGaN hinzugefügt, bevor die reine GaN-Schicht wächst. Schließlich bildet eine dünne Schicht aus AlGaN das 2DEG. Die Elektronenbeweglichkeit in dieser Schicht ist sehr hoch (daher der Name).
Abbildung 1. GaN-HEMT-Struktur
Für Leistungstransistoren (Power GaN FETs) gibt es aktuell zwei Hauptoptionen: den Enhancement-Mode (E-Mode) oder Single-Die-Normally-off-Bauelemente und den Depletion-Mode (D-Mode) oder Two-Die-Normally-off-Bauelemente. Während Bedenken hinsichtlich der Stabilität und der Leckströme der E-Mode-Gates bestehen, ist die Ansteuerung der Two-Die-Normally-off- oder der Kaskode-konfigurierten D-Mode-Bauelemente derzeit einfach und robust. Für den Betrieb mit einer Schaltfrequenz von bis zu 1MHz sind Kaskode-GaN-FETs daher am besten geeignet.
Die GaN-on-Si-Two-Die-Normally-off-Konfiguration bietet eine signifikante Designflexibilität. Die GaN-FETs von Nexperia bieten eine Gate-Spannungsfestigkeit von +/- 20V mit einem Oxid-/Isolator-Gate, eine Gate-Schwellenspannung von 4V mit realem 0-V-Ausschaltvorgang sowie eine geringe Gate-Ladung. Daher eignen sich einfache Silizium-Treiber für diese Bauelemente. Für die Ansteuerung mit 0–8, 10 oder 12V kann jeder Gate-Treiber verwendet werden. Im Gegensatz dazu erfordert die SiC-Technologie im Allgemeinen mindestens 15V und einen sehr hochstromfähigen Treiber mit negativer Gate-Ansteuerung, um das Bauelement auszuschalten. Dies erhöht sowohl die Kosten für den Treiber als auch die Treiber- und Schaltverluste. Nexperia GaN-Bauelemente verfügen zudem über eine außergewöhnlich gute, eingebaute antiparallele Diode, die den robusten Freilaufpfad unterstützt.
Die Kaskodenversion bietet erhebliche Freiheit bei der Gestaltung der Gate-Struktur und verfügt über genau die Robustheit, die Kunden aus der Automotive-Branche erwarten.
Abbildung 2 zeigt, wie die Kombination eines robusten Niederspannungs-Silizium-MOSFETs (30V) mit dem Kaskode-konfigurierten D-Mode-GaN-FET alle wesentlichen Bedenken hinsichtlich der anfälligen Gate-Strukturen der E-Mode-Bauelemente beseitigen und die gesamte Nutzung sehr einfach gestalten kann. Niederspannungs- und Silizium-basierte Gate-Strukturen sind eine sehr ausgereifte Technologie, deren Verwendung bei Entwicklern beliebt ist.
Abbildung 2. Kaskode-Schema
Die Sperrverzögerungsladung (Qrr) für Niederspannungs-Silizium ist äußerst gering (siehe Abbildung 3) und ermöglicht die volle Ausschöpfung des Potenzials der GaN-Technologie in der Leistungselektronik. Darüber hinaus ist die Ansteuerung eines Kaskode-Bauelements einfach. Der Einsatz des Kaskode-Bauelements für verschiedene Vorspannungssituationen ist in Abbildung 4 dargestellt. Die GaN-Leistungstransistoren können bidirektional verwendet werden, um eine einfachere bidirektionale Leistungsumwandlung zu ermöglichen.
Abbildung 3. Sperrverzögerungsladung (Qrr) von GaN-FETs im Vergleich zu Si-FETs
Abbildung 4. Funktionsweise eines GaN-FET
Ob es sich um die Leistungsfaktorkorrektur (PFC) für AC/DC, einen DC/DC-Wandler (Abbildung 5) oder einen Traktionswechselrichter (Abbildung 6) handelt: Der grundlegende Baustein für die meisten Topologien ist eine Halbbrücke (Abbildung 7).
Wenn also GaN-FETs in einem einfachen Aufwärtswandler mit Silizium-FETs verglichen werden, zeigen die GaN-FETs ihre überlegene Leistung.
Abbildung 5. Leistungsfaktorkorrektur (PFC) für AC/DC und isolierter DC-DC-Wandler
Abbildung 6. Traktionswechselrichter
Halbbrücken-Aufwärtswandler
Vin = 240V, Vout = 400V, FSW = 100kHz
Gleicher Wandler mit Ersatzschaltern
Abbildung 7. Halbbrücken-Aufwärtswandler (GaN-Schalter vs. Si CoolMOS)
Durch das Ausbleiben von Schaltübergangs- und Sperrverzögerungsverlusten, sind die Verluste von GaN-FETs deutlich geringer. Es ist möglich, nahezu ideale Ein- und Ausschaltverluste mit einem dV/dt von circa 200V/ns zu erreichen. GaN-Schalter sind extrem schnell und werden routinemäßig in Hochfrequenzverstärkern bei Gigahertz-Frequenzen eingesetzt. Obwohl sie bei diesen Frequenzen mit viel niedrigeren Spannungen betrieben werden, zeigt dies ihre Leistungsfähigkeit, da beide die GaN-HEMT-Struktur verwenden.
Da GaN-Bauelemente äußerst schnell sind und in Anwendungen mit hohem dV/dt und hohem dI/dt eingesetzt werden können, muss auf die Optimierung der Leiterplattenlayouts geachtet werden. So ist ein optimiertes Layout für Leistungs-GaN-Anwendungen essenziell, um parasitäre Induktivitäten zu minimieren.
Außerdem sind Module mit geringer Induktivität, hohem Strom und hoher Leistung unerlässlich, um die Leistung von oberflächenmontierbaren Gehäusen zu maximieren.
Derzeit bedeutet der Einsatz von GaN-Bauelementen in einem Traktionswechselrichter, dass dieser erheblich verlangsamt werden muss, um die Motorwicklungen zu schonen. Sie sind nahezu auf ein dV/dt von 10V/ns begrenzt. Hier liegt ein erhebliches Potenzial, die Motoren zu verbessern und die Frequenz auf 40kHz zu erhöhen, um die Leistungsdichte signifikant zu steigern.
Die GaN FET-Technologie zeigt derzeit eine gute Qualität und Zuverlässigkeit, da mehrere Anbieter die JEDEC- (Joint Electron Device Engineering Council) und AEC-Q101-Qualitätsstandards (Automotive Electronics Council) nachgewiesen haben. Hierbei handelt es sich um Mindeststandards, die erfüllt werden müssen, um die Zuverlässigkeit der GaN-Technologie in der Leistungselektronik zu demonstrieren.
Allerdings sind die bestehenden Qualitätsstandards für GaN-Bauelemente nicht ausreichend, da das Material neu ist und anders funktioniert. Zu den bekannten Effekten bei GaN-Leistungstransistoren zählen unter anderem der dynamische Einschaltwiderstand RDS(on) oder das Current-Collapse-Phänomen. Materialqualität, Ladungsträgereinfang und Freisetzung (Trapping/Detrapping), die für den dynamischen RDS(on) verantwortlich sind, können gemessen werden. Die Messergebnisse zeigen eine deutliche Verbesserung, sodass die Werte nun bei etwa 10% liegen und ein hohes Maß an Vertrauen in die Technologie ermöglichen.
Um über die Anforderungen von AEC Q101 hinauszugehen und die Zuverlässigkeit von GaN-FETs unter tatsächlichen Betriebsbedingungen zu validieren, wurden mehrere identische Halbbrückenschaltungen (mit kontinuierlichem Stromleitungsmodus) vorbereitet, wobei jeweils ein High-Side- und ein Low-Side-GAN063-650WSA verwendet wurde.
Diese wurden 1.000 Stunden lang als synchrone Aufwärtswandler unter folgenden Bedingungen kontinuierlich betrieben: Vin = 200V, Vout = 48V, Pout = 80W, Tj = 175°C und Frequenz = 300kHz. Über die gesamte Dauer des 1.000-stündigen Tests gab es bei keiner der Schaltungen und keiner der Proben Anzeichen einer Leistungsminderung. Nach den Hochtemperatur-Schalttests wurden alle Bauelemente auf Verschiebungen im dynamischen RDS(on), im Leckstrom und in der Schwellenspannung geprüft. Alle Parameter erwiesen sich als stabil, wobei jegliche parametrische Verschiebung unter den zulässigen Grenzwerten lag.
Die Bauelementspezifikation garantiert eine transiente Spannungsfestigkeit von 800V, die durch Tests validiert wurde, um mögliche Bedenken hinsichtlich Überspannungsspitzen auszuräumen. Ebenso wurden andere Überbeanspruchungen wie Spannung und Temperatur herangezogen und verschiedene Beschleunigungsfaktoren definiert, um die Lebensdauer und die FIT-Raten (Failure in Time) für die jeweiligen Anwendungsszenarien abzuschätzen. Mit steigendem Absatzvolumen der Produkte werden die tatsächlichen Feldausfallraten ermittelt.
Die GaN-Technologie ist bereit, ihren Platz im Markt für effiziente Leistungsumwandlung einzunehmen. Während ihre Einführung bereits in nichtautomobilen Bereichen erfolgt ist, wird ein Einsatz in Automobilanwendungen erwartet, die aufgrund geringerer Verluste und höherer Leistungsdichten besonders profitieren können. Auch wenn die Si-Technologie fest auf dem Markt etabliert ist, stößt sie doch an ihre Grenzen. Sobald die Vorteile der Technologie umfassend erkannt werden und ihre Verbreitung weiter zunimmt, wird sich GaN als Standardlösung für hocheffiziente Leistungsumwandlung etablieren.
