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„Diskrete Leistungstransistoren werden Geschichte.“

| Redakteur: Gerd Kucera

Nicht nur bei Wechselrichtern, DC/DC-Wandlern und Class-D-Audioendstufen setzt Power-Profi Alex Lidow auf Galliumnitrid. Jetzt liefert er den ersten eGaN-Baustein einer weiteren Serie integrierter Leistungsstufen aus, auch und insbesondere für Motorantriebe.

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Alex Lidow: „Diese neue Serie integrierter Leistungsstufen ist der nächste wichtige Entwicklungsschritt der GaN-Leistungswandlung.“
Alex Lidow: „Diese neue Serie integrierter Leistungsstufen ist der nächste wichtige Entwicklungsschritt der GaN-Leistungswandlung.“
(Bild: EPC)

Alex Lidow ist CEO und Mitbegründer der Efficient Power Conversion Corporation (EPC). Schon seit 1977 arbeitet er daran, die Energieumwandlung verlustärmer zu gestalten. Dabei halfen ihm auch seine mehr als zwanzig Patente in der Technologie der Leistungshalbleiter, einschließlich grundlegender Patente bei Leistungs-MOSFETs sowie GaN-Transistoren und integrierten Schaltkreisen. Zwölf Jahre lang war Lidow der CEO von International Rectifier, bevor er 2007 das Unternehmen EPC in El Segundo gründete. Weltweit arbeitet EPC mit mehr als 60 Universitäten zusammen, um Entwickler dahingehend zu qualifizieren, das Bestmögliche der GaN-Technologie abzugewinnen, auf die sich die kalifornische EPC konzentriert.

Inzwischen ist EPC nach eigenen Angaben führend bei Power-Management-Bausteinen auf Basis von Galliumnitrid im Enhancement-Mode und hat als erster Hersteller Galliumnitrid-Silizium-FETS (eGaN) als Power-MOSFET-Ersatz für Anwendungen wie DC/DC-Wandler, drahtlose Leitungsübertragung und Leistungswechselrichter etabliert. Jetzt will Alex Lidow und sein Team mit der Markteinführung von Leistungsstufen-ICs der ePower-Reihe die Leistungswandlung neu definieren, wie er sagt. Lidow: „Für Motorantriebe, DC/DC-Wandlung und Class-D-Audioendstufen stellen wir die erste Serie einer neuen IC-Reihe vor. Sie sorgt für erhöhte Leistungsfähigkeit bei kleinerer Baugröße, sorgt also für erhöhte Leistungsdichte in den Anwendungen.“

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Es ist eine integrierte 80-V-/12,5-A-Leistungsstufe für die 48-V-DC/DC-Wandlung, wie sie in Rechnern mit hoher Leistungsdichte und in Motorantrieben für die Elektromobilität zum Einsatz kommt. Der Baustein EPC2152 ist ein Single-Chip-Treiber mit einer eGaN-FET-Halbbrücken-Leistungsstufe, die auf EPCs eigener GaN-Chip-Technologie basiert. Schaltkreise für Eingangslogik, Pegelverschiebung, Bootstrap-Laden und Gate-Treiber-Puffer sind zusammen mit eGaN-Ausgangs-FETs, die als Halbbrücke konfiguriert sind, in einem monolithischen Baustein im LGA-Gehäuse mit den Maßen 3,9 mm x 2,6 mm x 0,63 mm integriert.

Beim Betrieb in einem Buck-/Abwärtswandler von 48 auf 12 V mit einer Schaltfrequenz von 1 MHz erreicht diese ePower-Stufe einen maximalen Wirkungsgrad von über 96% in einer Schaltung, die auf der Leiterplatte 33% kleiner ist als eine entsprechende diskrete Lösung mit mehreren Bauelementen.

Der EPC2152 ist nun der erste Baustein einer Serie integrierter Leistungsstufen, die im CSP-Gehäuse (Chip Scale Package) oder im Multi-Chip-QFM-Gehäuse (Quad Flat Module) erhältlich sind. Innerhalb eines Jahres kommen weitere Bausteine hinzu, die sich mit hohen Frequenzen von 3 bis 5 MHz sowie höhen Strömen von 15 bis 30 A pro Leistungsstufe betreiben lassen.

„Diese Bausteine machen es Entwicklern leicht“, konstatiert Lidow, „die erheblichen Leistungsverbesserungen zu nutzen, die mit der GaN-Technologie möglich sind. Integrierte Bausteine in einem einzigen Chip sind einfacher zu entwickeln und zu montieren, sparen Platz auf der Leiterplatte und erhöhen den Wirkungsgrad. Diskrete Leistungstransistoren werden Geschichte. Integriertes GaN-auf-Silizium bietet eine höhere Leistungsfähigkeit bei geringerem Platzbedarf und einen deutlich weniger technischen bzw. entwicklungsbezogenen Aufwand. Diese neue Serie integrierter Leistungsstufen ist der nächste wichtige Entwicklungsschritt der GaN-Leistungswandlung – von der Integration diskreter Bauelemente bis hin zu komplexeren Lösungen, die eine IC-basierte Leistungsfähigkeit bieten, die über die Möglichkeiten von Siliziumlösungen hinausgeht und die den Entwicklern von Stromversorgungssystemen die Arbeit erleichtern.“

Zu den neuen Bausteinen gibt es das Entwicklungsboard EPC90120. Es ist eine Halbbrücke mit der integrierten ePower-Stufe EPC2152, die maximal 80 V Nennspannung und 12,5 A Ausgangsstrom unterstützt. Das 50,8 mm x 50,8 mm große Board enthält alle Komponenten für eine einfache Evaluierung der integrierten ePower-Stufe EPC2152.

Der Automotive-qualifizierte eGaN-FET EPC2216

Mehr Leistung in viel kleineren Formfaktoren braucht auch die Elektromobilität für beispielsweise Time-of-Flight-Lidar-Systeme. Auch hier setzt Alex Lidow auf Galliumnitrid und gab zum Jahreswechsel die erfolgreiche AEC-Q101-Qualifizierung des 15-V-Galliumnitrid-Transistors EPC2216 für Lidar-Anwendungen bekannt. Der EPC2216 ist ein eGaN-FET mit 15 V/26 mΩ sowie einer gepulsten Nennstromstärke von 28 A auf einer winzigen Montagefläche von 1,02 mm² und ist ausgelegt zum Zünden der Laser in Lidar-Systemen. Der FET kann getriggert werden, um Hochstrom mit extrem kurzen Pulsbreiten zu erzeugen. Diese kurze Pulsbreite führt zu einer höheren Auflösung.

Um die AEC-Q101-Prüfung zu vervollständigen, wurden die eGaN-FETs von EPC strengen Umwelt- und Vorspannungs-Stresstests unterzogen, einschließlich Feuchtigkeitstests mit Vorspannung (H3TRB), Hochtemperatur-Umkehrvorspannung (HTRB), Hochtemperatur-Gate-Vorspannung (HTGB), Temperaturzyklen (TC) sowie zahlreichen anderen Prüfungen. Bemerkenswert ist, dass die WLCS-Gehäuse von EPC dieselben Prüfstandards bestanden haben, die für konventionell verpackte Teile gelten. Lidow: „Das beweist, dass die Leistung des Chip-Scale-Packaging die Robustheit und Zuverlässigkeit nicht beeinträchtigt. Diese eGaN-Bausteine werden in Anlagen hergestellt, die nach dem Automotive Quality Management System Standard IATF 16949 zertifiziert sind.“

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