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Neuer Automotive-GaN-FET mit 99% Wirkungsgrad verdoppelt Leistungsdichte

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Texas Instruments hat die nach eigenen Angabe ersten Automotive-GaN-FET mit integriertem Treiber, Schutzfunktionen und aktivem Power-Management vorgestellt. Damit lassen sich Bordladegeräte für Elektrofahrzeuge und industrielle Stromversorgungen mit doppelter Leistungsdichte und maximalem Wirkungsgrad realisieren.

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Mehr Reichweite pro Batterieladung: neue Automotive-GaN-FETs von TI tragen dazu bei.
Mehr Reichweite pro Batterieladung: neue Automotive-GaN-FETs von TI tragen dazu bei.
(Bild: Texas Instruments)

Texas Instruments (TI) erweitert sein Hochspannungs-Power-Management-Portfolio um eine neue Generation von Galliumnitrid-Feldeffekttransistoren (GaN-FETs) mit Nennspannungen von 650 V und 600 V für Automotive- und Industrieanwendungen. Mit ihrem integrierten, schnell schaltenden 2,2-MHz-Gatetreiber ermöglichen diese GaN-FET-Familien, die Leistungsdichte zu verdoppeln, einen Wirkungsgrad von 99% zu erzielen und den Bauraum der Leistungs-Induktivitäten gegenüber bestehenden Lösungen um 59% zu reduzieren. TI hat die FETs mit seinen proprietären GaN-Werkstoffen und seiner Prozesskompetenz auf einem GaN-on-Silicon-Substrat entwickelt, was kostenmäßige und logistische Vorteile gegenüber vergleichbaren Substratmaterialien wie Siliziumkarbid (SiC) bietet.

Die Elektrifizierung der Kraftfahrzeuge bewirkt einen Wandel in der Automobilindustrie, zumal von den Konsumenten zunehmend Fahrzeuge mit kürzeren Ladezeiten und einem größeren Aktionsradius nachgefragt werden. Die Entwickler stehen somit vor der Aufgabe, kompakte und leichtgewichtige Automotive-Systeme zu realisieren, ohne die Leistungsfähigkeit der Automobile zu schmälern.

Bis zu 50% geringerer Platzbedarf

Die Verwendung der neuen Automotive-GaN-FETs von TI kann dazu beitragen, den Platzbedarf der Bord-Ladegeräte und Gleichspannungswandler von Elektrofahrzeugen gegenüber bestehenden Si- oder SiC-Lösungen um bis zu 50% zu reduzieren. Dadurch lässt sich mehr Reichweite pro Batterieladung, eine erhöhte Systemzuverlässigkeit und niedrigere Designkosten erzielen. In Industrie-Designs ermöglichen die neuen Bauelemente ein hohes Maß an Effizienz und Leistungsdichte für Netzstromversorgungen, bei denen es auf niedrige Verluste und eine geringere Leiterplattenfläche ankommt, etwa bei Hyperscale- und Enterprise-Computing-Plattformen und Gleichrichtern für die 5G-Mobilkommunikation.

„Wide-Bandgap-Halbleitertechnologien wie GaN machen fest etablierte Fähigkeiten für die Leistungselektronik, und hier speziell für Hochspannungs-Systeme verfügbar“, berichtet Asif Anwar, Direktor des Bereichs Powertrain, Body, Chassis & Safety Service bei Strategy Analytics. „Texas Instruments nutzt seine mehr als zehnjährige Investitions- und Entwicklungstätigkeit zur Ablieferung eines auf besondere Weise ganzheitlichen Konzepts. Hierzu wird die interne Produktion von GaN-on-Si-Bauelementen und Gehäuse mit optimierter Si-Treibertechnologie kombiniert, um die GaN-Technik erfolgreich in neuen Anwendungen zu implementieren.“

„Industrie- und Automotive-Anwendungen verlangen zunehmend nach mehr Leistung bei weniger Platzbedarf, und außerdem müssen Designer erprobte Power-Management-Systeme bringen, die über die lange Lebensdauer des finalen Equipments hinweg zuverlässig arbeiten“, ergänzt Steve Lambouses, Vice President for High Voltage Power bei TI. „Gestützt auf mehr als 40 Millionen Stunden Bauelement-Verfügbarkeit und Tests von Leistungswandler-Applikationen mit mehr als 5 GWh, wartet die GaN-Technologie von TI mit der lebenslangen Zuverlässigkeit auf, die Ingenieure auf sämtlichen Märkten verlangen.“

Doppelte Leistungsdichte mit weniger Bauelementen

In dicht bestückten Anwendungen mit hohen Spannungen stellt das Minimieren der Leiterplattenfläche ein wichtiges Designkriterium dar. Im Zuge der Miniaturisierung elektronischer Systeme müssen auch die verwendeten Bauteile immer kleiner und immer dichter gepackt platziert werden. Die neuen GaN-FETs von TI enthalten einen schnell schaltenden Treiber sowie interne Schutz- und Temperatursensor-Funktionen, sodass Entwickler ein hohes Performance-Niveau erzielen und gleichzeitig die Leiterplattenfläche ihrer Power-Management-Designs verkleinern können. Diese Integration im Verbund mit der hohen Leistungsdichte der GaN-Technologie von TI gibt Ingenieuren die Möglichkeit, auf mehr als 10 Bauelemente, die in diskreten Lösungen üblicherweise benötigt werden, zu verzichten. Hinzu kommt, dass jeder der neuen 30-mΩ-FETs in Halbbrücken-Konfigurationen eine Leistung von bis zu 4 kW unterstützt.

Höchster Wirkungsgrad bei der Leistungsfaktor-Korrektur

GaN bietet den Vorteil einer hohen Schaltgeschwindigkeit, was wiederum kleinere, leichtere und effizientere Systeme möglich macht. In der Vergangenheit musste eine hohe Schaltgeschwindigkeit stets mit hohen Verlusten erkauft werden. Um diesen Kompromiss zu umgehen, bieten die neuen GaN-FETs den verlustmindernden Ideal-Diode-Modus von TI. Bei der Leistungsfaktor-Korrektur zum Beispiel senkt der Ideal-Diode-Modus die Verluste im dritten Quadranten im Vergleich zu diskreten GaN- und SiC-MOSFETs um bis zu 66%. Außerdem ermöglicht der Ideal-Diode-Modus den Verzicht auf eine adaptive Totzeitregelung, was die Komplexität der Firmware verringert und die Entwicklungszeit verkürzt.

Maximierung der thermischen Leistungsfähigkeit

Mit seinem gegenüber dem nächsten Konkurrenten um 23% gesenkten thermischen Widerstand erlaubt das Gehäuse der GaN-FETs von TI, kleinere Kühlkörper zu verwenden und die thermische Auslegung zu vereinfachen. Die neuen Bauelemente bieten die Möglichkeit, zwischen einem ober- oder unterseitig gekühlten Gehäuse zu wählen. Die integrierte digitale Temperaturmeldung der FETs erlaubt ferner ein aktives Power-Management und gestattet Ingenieuren das Optimieren der thermischen Eigenschaften eines Systems unter wechselnden Last- und Betriebsbedingungen.

Vorserien-Exemplare der neuen, industrietauglichen 600-V-GaN-FETs sind ausschließlich auf TI.com umgehend lieferbar. Sie sitzen in einem 12 mm x 12 mm großen QFN-Gehäuse (Quad Flat No-lead). TI geht davon aus, dass die Auslieferung von Produktionsstückzahlen im ersten Quartal 2021 beginnen wird. Evaluierungsmodule können auf TI.com zu Preisen ab 199 US-$ erworben werden. Auf TI.com stehen ferner mehrere Zahlungs- und Kreditlinien-Optionen sowie schnelle und zuverlässige Versandmöglichkeiten zur Wahl.

Vorserien-Exemplare der neuen 650 V Automotive-GaN-FETs LMG3522R030-Q1 und LMG3525R030-Q1 sowie die zugehörigen Evaluierungsmodule sind voraussichtlich vom ersten Quartal 2021 an auf TI.com zu erwerben.

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