GaN-Halbleiter Fehleinschätzungen von GaN-Halbleitern vermeiden

Autor / Redakteur: Jason McDonald * / Gerd Kucera

GaN-Halbleiter sind kein direkter Ersatz für MOSFETs in bestehenden Designs. Mit neuer Denkweise aber sind Systemlösungen möglich, die durch Leistungsdichte und Wirkungsgrad beeindrucken.

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Bild 1: Parasitäre Induktivitäten in Stromversorgungs- und Ansteuerungskreisen.
Bild 1: Parasitäre Induktivitäten in Stromversorgungs- und Ansteuerungskreisen.
(Bild: ON Semi)

Sie haben von der hervorragenden Leistungsfähigkeit von GaN-Transistoren gehört und sind nun gespannt; die Muster sind endlich angekommen und werden auf der Leiterplatte verbaut.

Nach der Inbetriebnahme wird die Last angeschlossen und Sie sehen keine bessere Leistungsfähigkeit als zuvor. Schlimmer noch: Schaltprobleme treten auf, die zuvor nicht vorhanden waren. Diese Transistoren sind also alles andere als nützlich. Schade. Was steckt dahinter? Haben Sie etwas vergessen?

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Seit mehr als zwei Jahrzehnten dominieren Silizium-Leistungs-MOSFETs als Schalter in Schaltnetzteilen. In diesen Anwendungen konnten hohe Schaltfrequenzen und eine geringe Verlustleistung bisher nicht erzielt werden, genauso wenig wie mit der vorherigen Technologie auf Basis von Bipolar-Transistoren. MOSFETs wurden im Laufe der Zeit immer besser und erreichen nahezu die Leistungsfähigkeit eines idealen Schalters. Dennoch müssen die nicht-idealen Eigenschaften dieser Transistoren immer noch berücksichtigt werden, wenn die Endanwendung alle Vorteile dieser Schalter nutzen soll.

Da sich die Schaltgeschwindigkeit von Leistungs-MOSFETs durch die Fortschritte in der Halbleitertechnik weiter erhöht hat, ist genau zu entscheiden, wo die Bauteile in der Schaltung zu platzieren sind und wie das Leiterplatten-Layout auszuführen ist. Diese Maßnahmen sollen den Wirkungsgrad maximieren und parasitäre Größen wie Rauschen und Interferenzen in Grenzen halten.

GaN-Transistoren sind der nächste Schritt hin zum idealen Schalter und bieten in vielerlei Hinsicht einen großen Leistungssprung anstatt nur eine kleine Verbesserung. Die herkömmlichen Herausforderungen bei der Bauteilplatzierung und Vermeidung parasitärer Effekte folgen den gleichen Prinzipien wie zuvor, sind nun aber noch ausgeprägter.

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Werden neue MOSFETs vorgestellt, verspricht man sich vor allem einen verbesserten Wirkungsgrad. Das gleiche gilt, wenn ein GaN-Bauteil einen MOSFET in einem bestehenden Design ersetzen soll. Die Enttäuschung ist groß, wenn sich die erwarteten Leistungssteigerungen nicht einstellen. Um die wirklichen Vorteile von GaN nutzen zu können, muss das System-Design verändert werden. GaN zielt auf eine höhere Leistungsdichte ab, was eine Neugestaltung anderer passiver Bauelemente wie Transformatoren und Ausgangskondensatoren erfordert. Um den Transformator zu verkleinern, muss die Schaltfrequenz erhöht werden. Werden Standard-MOSFETs mit hohem Qg in einem HF-Design verwendet, sinkt der Wirkungsgrad. Wird ein GaN-Baustein mit einem niedrigen Qg im gleichen Design verwendet, bleibt der Wirkungsgrad erhalten. GaN sollte also nicht als Ersatz bestehender MOSFETs angesehen werden, sondern als Lösung, um die Leistungsdichte und den Wirkungsgrad zu erhöhen.

Die grundlegenden Anforderungen an das Board-Layout haben sich deshalb verschoben. Es sind präzisere Treiber- und Stromversorgungskreise erforderlich als bei langsameren Leistungs-MOSFETs. Anwender, die also einen GaN-Leistungstransistor in eine bestehende Schaltung einbauen (der für einen Silizium-Leistungs-MOSFET ausgelegt ist), werden oft enttäuscht, wenn Probleme auftreten oder sich keine Verbesserung der Leistungsfähigkeit einstellt.

Um sämtliche Vorteile eines GaN-Transistors nutzen zu können, muss deshalb das System um den Baustein angepasst werden, anstatt nur den Halbleiter als nachträgliche Optimierungsmaßnahme zu behandeln. Voraussetzung dazu ist, dass der Entwickler eine Schaltungstopologie und Ansteuermethode ausgewählt hat, die die Vorteile des GaN-Transistors unterstützen.

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