Galliumnitrid-(GaN-)Leistungshalbleiter 48-V-GaN-Design für einen Drei-Phasen-BLDC-Inverter-IC

Redakteur: Gerd Kucera

GaN-basierte Leistungselektronik: Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF hat es geschafft, per Halbbrücken-Integration Leistungstransistoren auf kleinster Strukturebene in einem Die zu verschachteln.

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Auf dem GaN-on-Si Multi Project Wafer des Fraunhofer IAF sind verschiedene Chip-Designs realisiert, darunter auch ein Drei-Phasen-Motorinverter-GaN-IC. Mit einer Abmessung von nur 2 mm x 2 mm bietet der IC drei Halbbrücken zur Ansteuerung eines BLDC-Motors.
Auf dem GaN-on-Si Multi Project Wafer des Fraunhofer IAF sind verschiedene Chip-Designs realisiert, darunter auch ein Drei-Phasen-Motorinverter-GaN-IC. Mit einer Abmessung von nur 2 mm x 2 mm bietet der IC drei Halbbrücken zur Ansteuerung eines BLDC-Motors.
(Bild: Fraunhofer IAF)

Während SiC-Leistungshalbleiter kommerziell in Anwendungen der Spannungsklassen bis 3,3 kV etabliert sind, dominiert das Halbleitermaterial GaN im Spannungsbereich bis 650 V. Dazwischen, insbesondere von 600 V bis 900 V, stehen Galliumnitrid (GaN), und Siliziumkarbid (SiC) im Wettbewerb um die Gunst der Anwendung.

Die Spannungsklasse 48 V zeigt sich für Leistungshalbleiter respektive Leistungselektronik als neue interessante Domäne für beispielsweise Datenzentren (Busspannung 48 V) und Automobilelektronik (Bordnetz 48 V). Das Interesse an der Einführung von 48-V-Systemen ist die Reduzierung des Stromverbrauchs und Verkabelungsvolumen im Vergleich zu Lösungen mit 12 V.

Sinnvoller Wechsel zur 48-V-Technik

Ein Wechsel zu 48 V ist deshalb auch bei anderen Anwendungen, die bisher noch niedrigere Spannungen nutzen, eine ressourcenschonende Alternative. 48 V bietet im Gegensatz zu Hochvolt-Leistungselektronik auch einen optimalen Kompromiss aus Effizienz und Sicherheit, da noch keine aufwändigen Sicherheitsmaßnahmen nötig werden. Deshalb ist die 48-V-Spannungsklasse auch für alltägliche Anwendungen eignet.

Hochintegrierte GaN-Komponenten und GaN-Systeme sind laut Fraunhofer IAF in Freiburg ideal für eine 48-V-Technik. GaN besitzt im Vergleich zu Silizium deutlich bessere physikalische Eigenschaften für die Leistungselektronik. Darüber hinaus lassen sich mit der GaN-Technologie ganze Schaltungsteile auf einem Chip integrieren.

Hierzu haben Forschende des Fraunhofer IAF verschiedene hochintegrierte GaN-Schaltungen und neuartige Integrationskonzepte für Niedervolt-Anwendungen entwickelt und erstmals auf der PCIM 2021 öffentlich vorgestellt: Zwei üblicherweise nebeneinander realisierte Transistoren wurden zu einer integrierten Halbbrücke mit kompaktem und ineinander verschachteltem Design überführt, das besonders flächeneffizient ist. Drei solcher Halbbrücken wurden wiederum in einem Motorinverter-GaN-Die für Niedervolt-Anwendungen integriert, welcher sich mit einer optimierten Aufbautechnik für GaN-ICs kombinieren lässt.

Kompaktes und effizientes Chip-Layout

Bei verschiedenen Leistungselektronik-Anwendungen kommen schon seit einigen Jahren GaN on Si-High-Electron-Mobility-Transistoren (kurz HEMTs) erfolgreich zum Einsatz. Am Fraunhofer IAF konnte aber gezeigt werden, wie mit verbesserten Layouts und neuen analytischen Entwurfskonzepten die GaN-Bauelemente künftig noch kompakter und effizienter werden können.

Dr.-Ing. Richard Reiner, Wissenschaftler am Fraunhofer IAF, der in einem Fachaufsatz flächeneffiziente Designs für GaN-HEMTs untersucht, konstatiert: „In der Forschung und Entwicklung waren bislang vor allem die 600-V-GaN-Bauelemente im Fokus. Konzepte zum Entwurf von hochkompakten Niedervolt-GaN-Power-ICs sind jedoch kaum erforscht.“

Verbesserte Aufbautechnologie für Halbbrücken-ICs

Michael Basler, Doktorand am Fraunhofer IAF, ergänzt dazu: „Die GaN-Technologie erlaubt die Integration einer Halbbrücke bestehend aus zwei Leistungstransistoren in einem Die, was die Kompaktheit eines Systems deutlich erhöht. Um diesen Vorteil nutzen zu können, ist es aber extrem wichtig, die Integration auf Packaging- und Chip-Level zu optimieren. Denn das Packaging der Halbbrücken-ICs ist durch die hohen Anforderungen bezüglich elektrischer und thermischer Leistung sowie Zuverlässigkeit eine Herausforderung.“

Auf der PCIM 2021 präsentierte der Freiburger Wissenschaftler in seinem Vortrag eine Kombination von GaN-ICs mit Leiterplatten-Embedding-Technologie als eine Packaging-Lösung, die sich bis zu einem System-in-Package erweitern lässt und ungewöhnlich hohe Leistungsdichten bei Niedervolt-DC/DC-Wandlern ermöglicht.

Integriertes Chip-Design für einen Motorinverter

Neben Einzeltransistoren gibt es bereits kommerzielle GaN-Niedervolt-Halbbrücken-ICs. Diese integrieren zwar zwei Leistungstransistoren in einem Chip, allerdings lediglich nebeneinander, wodurch noch nicht das volle Potenzial genutzt wird. Das Fraunhofer IAF hat es jetzt geschafft, beide Halbrückentransistoren in der kleinsten Strukturebene ineinander zu verschachteln, was die Effizienz noch weiter verbessert. Drei dieser Halbbrückenstrukturen wurden in einen GaN-IC für Drei-Phasen-Motorinverter integriert.

Der Entwickler des Motorinverter-GaN-ICs, Stefan Mönch vom Fraunhofer IAF, erklärt die Vorteile, die durch den verschachtelten Aufbau entstehen: „Die intrinsische Halbbrücke verbessert die elektrischen Schalteigenschaften, und alle drei Phasen im selben IC reduzieren den Temperaturhub bei Motorbetrieb. Ein einzelner IC ist auch preislich günstiger und einfacher aufzubauen als sechs Transistoren beziehungsweise drei Halbbrücken, die für einen GaN-basierten Motorinverter notwendig sind.“

Die vorgestellten Integrationskonzepte für Niedervolt-GaN-ICs des Fraunhofer IAF zeigen interessante Ansätze von der Materialentwicklung über Aufbau-Designs bis hin zu anwenderfreundlichen Schaltungen. Solche Konzepte für effiziente und kompakte GaN-Lösungen sind der Schlüssel für künftige Anwendungen der 48-V-Spannungsklasse.

Forschung an GaN Power Integration

Michael Basler forscht zusammen mit IAF-Kollegen an der Technologie Galliumnitrid-auf-Silizium (GaN-on-Si) für den Einsatz als Leistungshalbleiter in Energie-effizienten Gleichspannungswandlern. Basler: „Das Halbleitermaterial Galliumnitrid erlaubt aufgrund der lateralen Struktur die Integration von zusätzlichen Komponenten zum Leistungsschalter auf einem einzelnen Chip.

Grundsätzlich besteht ein Spannungswandler aus Leistungsschalter, Ansteuerung und Regelung sowie Schutzbeschaltungen. In diesem Zusammenhang untersuche ich eine Voll- bzw. Komplett-Integration in dieser Technologie zu einem so genannten GaN Power System-on-Chip, kurz Power SoC, für die Niedervoltklasse beispielsweise in Akkuanwendungen.“

Der Akku besteht nicht nur aus den Akkuzellen selbst, sondern hat auch immer eine Leistungselektronik in Form eines Niederspannungswandlers, der die Ausgangsspannung des Akkus an die entsprechende Last anpasst. Basler: „Hierfür entwickle und optimiere ich Bauelemente und Schaltungen. Aus dieser Vollintegration erhoffen wir uns eine höhere Leistungs- und Funktionsdichte mit gleichzeitig geringen Kosten im Vergleich zu diskret aufgebauten Systemen. Solche Formen der Hochintegration sind vor allem getrieben durch einen gestiegenen Bedarf an effizienten und kompakten Systemen in der Informationstechnologie, bei mobilen und batteriebetrieben Anwendungen, was wir natürlich auch an uns und unserem eigenen Verhalten vermehrt wahrnehmen.“

Das Forschungsprojekt „GaNTraction“

Die vorgestellten Technologien entstanden im Rahmen der Forschungsprojekte „GaNTraction“ (gefördert von der Vector Stiftung) und „GaNonCMOS“ (gefördert durch Horizon 2020 der EU). Die Publikationen zu den hier beschriebenen Technologien sind im Sammelband (Proceedings) der PCIM 2021 erschienen (ISBN 978-3-8007-5515-8): Mönch, Stefan et al., A Three-Phase GaN-on-Si Inverter IC for Low-Voltage Motor Drives. Richard, Reiner et al., Design of Low-Resistance and Area-Efficient GaN-HEMTs for Low-Voltage Power Applications. Basler, Michael et al., High Power Density DC-DC Converters Using Highly-Integrated Half-Bridge GaN ICs.

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