GaN-Leistungshalbleiter Evaluation Boards für die GaN-Technologie

Autor / Redakteur: Carl Blake * / Gerd Kucera

Eine Totem-Pole-Schaltung mit integrierter PFC, ein Referenznetzteil und das Demoboard für PV-Wechselrichter nutzen EZ-GaN-HEMT- Bauteile, um die Performance-Vorteile von GaN zu evaluieren.

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Bild 1: Wechselrichter-Demoboard zur Beurteilung der kompakteren Layouts, die sich beim Austausch von IGBT-Bauteilen durch GaN-Halbleiter ergeben.
Bild 1: Wechselrichter-Demoboard zur Beurteilung der kompakteren Layouts, die sich beim Austausch von IGBT-Bauteilen durch GaN-Halbleiter ergeben.
(Bild: Transphorm)

In jeder Phase ihrer Einführung wurden GaN-Produkte hinsichtlich ihrer tatsächlichen Verwendung weitgehend skeptisch betrachtet. Aus diesem Grund hat sich Transphorm von Beginn an darauf konzentriert, die Leistungsfähigkeit von GaN in echten Schaltungen zu demonstrieren, sodass sich Entwickler ein Urteil über die möglichen Leistungsverbesserungen mit GaN-Lösungen bilden können.

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Das Unternehmen Transphorm gehört zu den Pionieren für GaN-Lösungen und bedient die stetig wachsende Nachfrage nach Schaltungs-Designs, die auf normally-off-kaskadierten High-Electron-Mobility-Transistoren (HEMTs) basieren und zu vorhandenen Treibern und Controllern kompatibel sind. Diese Kompatibilität ermöglicht Anwendern die einfache Einführung der GaN-Technologie mit nur minimalen Schaltungsänderungen neben der Verbesserung von Layouts und der Optimierung der Designs für höhere Frequenzen, wodurch Lösungen mit geringeren Abmessungen und höheren Wirkungsgraden entstehen. Nach der Qualifikation von 600-V-GaN-auf-Si-Bausteinen von Transphorm bestätigen Anwender zunehmend eine höhere Performance leistungselektronischer Systeme.

Rückblick: Die Entwicklung von GaN-Halbleitern

In den letzten 40 Jahren standen sowohl die Reduzierung der Systemgröße als auch die Verbesserung des Wirkungsgrades für beispielsweise neue Netzteilkonstruktionen im Mittelpunkt. Die Nachfrage nach höheren Wirkungsgraden wurde ursprünglich durch die geringeren Abmessungen der Systeme getrieben, weil sie die Möglichkeit zur Wärmeabfuhr beschränkten. Zudem hat in den letzten Jahren die Notwendigkeit zur Energieeinsparung, die schließlich auch politisch gefordert wird, zur Nachfrage nach nochmals höheren Wirkungsgraden geführt. Verbindungshalbleiter (auch Verbundhalbleiter genannt; Halbleiter der chemischen Hauptgruppen III und V) gelten mittlerweile als die Schlüsselelemente für einen reduzierten Energieverbrauch.

In diesem Artikel werden die Demoboard-Lösungen von Transphorm in der Reihenfolge ihrer Einführung besprochen. Diese drei eingeführten und auf GaN-Technologie basierenden Demoboards sind der Photovoltaik-Wechselrichter, die brückenlose Totem-Pole-Schaltung mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC) sowie das All-in-One-Referenznetzteil, das inzwischen sowohl bei Transphorm als auch bei On Semiconductor erhältlich ist.

Jedes dieser Demoboards verwendet die EZ-GaN-HEMT-Transistoren von Transphorm, die in Kaskodenkonfiguration geschaltet sind. Diese Konfiguration wurde aufgrund ihrer einfachen Anwendung beim Austausch von MOSFETS oder Super-Junction-Transistoren ausgewählt. Die Bauelemente in Kaskodenschaltung besitzen eine Gate-Steuerspannung von +/-18 V, sodass diese mit vorhandenen Treibern und Controllern verwendet werden können und eine schelle Bewertung der Vorteile der Hochspanungs-GaN-Technologie möglich wird, ohne auf die Störfestigkeit eines mit hoher Spannung angesteuerten Gates verzichten zu müssen.

Für die Auswahl von GaN-HEMT-Bausteinen stehen mehrere Optionen zur Verfügung. Die erste ist "ohne Steuerspannung leitend", der als D-Modus (depletion mode, Verarmungsmodus) bezeichnet wird und eine negative Gatespannung zur Sperrung des Bauelementes erfordert. Die zweite ist "ohne Steuerspannung gesperrt", der als E-Modus (enhancement mode, Anreicherungsmodus) bezeichnet wird und eine positive Gatespannung oberhalb von vier Volt zur vollständigen Anreicherung erfordert, wobei die Gate-Durchbruchsspannung von sechs Volt zu keiner Zeit überschritten werden darf.

Obwohl inzwischen Gate-Treiber für D-Mode-Bauelemente erhältlich sind, sind diese im Vergleich zu herkömmlicheren Gate-Treibern teuer und es gibt für diese nur wenige Lieferanten. Transphorm bietet deshalb eine dritte Variante und kombiniert einen ohne Steuerspannung leitenden HEMT mit einem ohne Steuerspannung sperrenden Niederspannungs-Silizium-MOSFET. Diese Konfiguration erleichtert die Einführung bei gleichzeitiger Nutzung der bewährten Robustheit von Silizium-Gates.

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