Suchen

Leiterplatten-integrierte 600-V-Halbbrücke

| Redakteur: Gerd Kucera

Mittels Leiterplatten-Embedding-Technologie hat das Fraunhofer IAF monolithisch integrierte GaN-Power-ICs als Halbbrückenschaltung inklusive Gate- und Zwischenkreiskondensatoren integriert.

Firmen zum Thema

Röntgenaufnahme der Halbbrückenschaltung und Schaltplan der integrierten GaN-Power-ICs.
Röntgenaufnahme der Halbbrückenschaltung und Schaltplan der integrierten GaN-Power-ICs.
(Bild: Fraunhofer IAF)

Die in die PCB eingebettete Galliumnitrid-basierte Halbbrücke im 12 mm breiten und 0,4 mm flachen Gehäuse integriert bereits die kritischen Verdrahtungen samt Gate- und Zwischenkreiskondensator. Das Resultat ist ein hochkompakter und effizienter Spannungswandler, der sich für alle 600-V-Anwendungen eignet und einen zuverlässigen modularen Systemaufbau ermöglicht, der Design- und Produktionsprozesse deutlich erleichtert.

Das Fraunhofer IAF hat langjährige Erfahrung in der monolithischen Integration leistungselektronischer GaN-Chiptechnologien. Im Rahmen des Forschungsprojekts GaNIAL ist es den Freiburger Forschern bereits im letzten Jahr gelungen, Strom- und Temperatursensorik, Leistungstransistoren der 600-V-Klasse, intrinsische Freilaufdioden und Gate-Treiber in einem einzigen GaN-Power-IC monolithisch zu integrieren. Das Halbleitermaterial Galliumnitrid wurde dabei auf preiswertes Siliziumsubstrat abgeschieden (GaN-auf-Si), wodurch sich die Chiptechnologie auch für einen kostengünstigen Einsatz in Massenanwendungen und in der Industrie eignet.

Durch die hohe Integrationsdichte ermöglicht der GaN-IC nicht nur eine höhere Schaltfrequenz und damit eine höhere Leistungsdichte als vergleichbare Schaltungen, sondern auch eine erhöhte Zuverlässigkeit und Kompaktheit durch die integrierte Sensorik. Mit den GaN-Power-ICs in einer Halbbrückenschaltung haben die Forscher bereits DC-DC-Wirkungsgrade über 98,8% bei 350 V erreicht, sowie eine hohe Schaltfrequenz von 40 MHz im Dauerbetrieb bei 250 V und resonantem Betrieb nachgewiesen.

Verzichtbare Bonddrähte, weniger Induktivität

„Die GaN-auf-Si-Technologie ermöglicht zwar monolithisch integrierte Schaltungen für Halbbrückenwandler, löst aber nicht das Verdrahtungsproblem zu externen Kondensatoren“, berichtet Stefan Mönch, Wissenschaftler am Fraunhofer IAF, „diese kritischen Verbindungen zur Gate-Treiber- und Zwischenkreisspannung sind aber essentiell für sauberes und effizientes Schaltverhalten. Um unserem Ziel eines optimalen Spannungswandlers näher zu kommen, mussten wir im nächsten Schritt die perfekte hochintegrierte Aufbautechnik für unsere GaN-Power-ICs finden.“

Zu diesem Zweck haben sie ihre ICs mit einer dicken Kupfergalvanik auf beiden Seiten prozessiert, wodurch sie sich für die Einbettung in eine Leiterplatte eignen. Diese Anpassung der Metallisierung ermöglichte es, die Chips in der serientauglichen und zuverlässigen ET-Microvia-Embedding-Technologie durch Würth Elektronik CBT aufzubauen. So konnten die Forscher zusammen mit den Projektpartnern Bosch und der Universität Stuttgart ein nur 12 mm breites und 0,4 mm flaches Leiterplattengehäuse entwerfen, das zwei monolithische GaN-Power-ICs als Halbbrücke integriert und die kritischen Entkopplungskapazitäten für die Gate-Treiber- und Zwischenkreisspannung bereits auf dem Gehäuse bereitstellt. Durch die Embedding-Technologie sind die Bonddrähte verzichtbar, was gleichzeitig die parasitären Induktivitäten minimiert. Die kritischen Verbindungen zwischen GaN-IC und den Kapazitäten sind damit bereits optimiert und müssen nicht mehr aufwändig auf Anwenderseite entworfen werden. Das Ergebnis ist eine praktikable Lösung, die alle kritischen Komponenten eines Schaltwandlers bereits optimiert in einem Gehäuse bereitstellt.

Artikelfiles und Artikellinks

(ID:46762320)