Galliumnitrid (GaN) MasterGaN-Referenz-Design: 250-W-Wandler ohne Kühler

Redakteur: Gerd Kucera

Das erste Referenz-Design von STMicroelectronics für die MasterGaN-Module soll demonstrieren, wie mit GaN eine höhere Leistungsdichte und Energieeffizienz möglich sind und das Design vereinfacht werden kann.

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ST setzt seit 2020 auch auf GaN und stellt nun das erste Referenz-Design für die MasterGaN-Familie vor.
ST setzt seit 2020 auch auf GaN und stellt nun das erste Referenz-Design für die MasterGaN-Familie vor.
(Bild: STMicroelectronics)

Seit über zwei Jahrzehnten wird an Galliumnitird-Halbleitern (GaN) weltweit geforscht. Tausende internationale und nationale Schutzrechte kennzeichnen die Patentlandschaft um den Verbundhalbleiter GaN. Die Unterschiede sind in der Regel marginal, sagen die Technologiekenner, und oft handele es sich um Detailverbesserungen, etwa in der Epitaxie. Gefertigt werden Galliumnitrid-basierte Leistungshalbleiter seit nunmehr über zehn Jahren und erzielen in der Anwendung eine bemerkenswerte Zuverlässigkeit. Bei zukünftigen Generationen für Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf kann GaN neben Siliziumkarbid (SiC) zur Technologie der Wahl werden.

Das erste GaN-Referenz-Design

STMicroelectronics fertigt seit 2014 SiC-MOSFETs in Serie und setzt seit 2020 auch auf GaN. Nun stellt ST das erste Referenz-Design für seine Power-Packages der MasterGaN-Familie vor. Das EVLMG1-250WLLC ist ein 250-W-Resonanzwandler auf einer 100 mm x 60 mm großen Leiterplatte, auf der die Bauelemente eine Höhe von maximal 35 mm haben. Bestückt ist die Platine mit dem Modul MasterGaN1, das einen Halbbrücken-Gate-Treiber der STDRIVE-Familie integriert. Der Treiber ist mit zwei selbstsperrenden 650-V-GaN-Transistoren kombiniert. Darauf abgestimmt sind Timing-Parameter, Einschaltwiderstand (150 mΩ) und Maximalstrom (10 A). Die Logikeingänge sind kompatibel zu Signalen von 3,3 V bis 15 V.

MasterGaN1 eignet sich für sanft schaltende Topologien wie etwa Resonanzwandler, Sperr- oder Durchflusswandler mit aktiver Klemmung sowie brückenlose Totem-Pole-PFC-Stufen (Power-Factor Correction) in AC/DC-Netzteilen, DC/DC-Wandlern und Wechselrichtern mit bis zu 400 W Leistung. Aufgrund des Wirkungsgrads der GaN-Leistungstransistoren komme die Primärseite ohne Kühlkörper aus. Die mögliche Schaltfrequenz erlaubt kleiner dimensionierte Induktivitäten und Kondensatoren für eine höhere Leistungsdichte.

Wirkungsgrad über 94 Prozent

Das für eine Nennspannung von 400 V ausgelegte Referenz-Design EVLMG1-250WLLC liefert am Ausgang 24 V und 10 A und erreicht einen maximalen Wirkungsgrad von über 94%. Bei allen MasterGaN-Modulen ist der Ausgang des Wandlers vor Kurzschlüssen und Überströmen geschützt. Vorhanden sind ferner ein Brown-Out-Schutz und eine Eingangsspannung-Überwachung, die ein Sequencing in einem Array aus mehreren Gleichspannungswandlern ermöglichen und beispielsweise das Anlaufen eines Motors bei zu geringer Spannung verhindert.

MasterGaN-Module gibt es in verschiedenen Leistungsvarianten, sodass Designs mit minimalen Änderungen an der Hardware skalierbar sind. Die Familie umfasst pinkompatible, integrierte Halbbrücken-Produkte in symmetrischer oder asymmetrischer Konfiguration, untergebracht in einem flachen und 9 mm x 9 mm großen GQFN-Gehäuse-Footprint. Alle Bausteine sind für Spannungen bis 650 V ausgelegt und haben eine entsprechende Kriechstrecke (>2 mm) zwischen den Hochspannungs- und Niederspannungs-Pads.

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