Normally off und 98 Prozent Wirkungsgrad mit CoolGaN

| Autor / Redakteur: Bernhard Zojer, Eric Persson und Francesco Di Domenico * / Gerd Kucera

Hier sind schematisch die Gate-Ansteuerung und die Kennlinien eines MOSFETs und eines GaN-HEMT im E-Modus dargestellt.
Hier sind schematisch die Gate-Ansteuerung und die Kennlinien eines MOSFETs und eines GaN-HEMT im E-Modus dargestellt. (Bild: Infineon)

Große Fortschritte bei GaN-Devices machen sie fit für die Praxis. Mit einer Technologieübersicht und abschließendem Praxisbeispiel zu GaN-Transistoren im E-Modus zeigt dieser Artikel den Nutzen.

Es gibt kaum einen Bereich der Leistungselektronik, in dem nicht ein höherer Wirkungsgrad, geringere Abmessungen, geringeres Gewicht, niedrigere Kosten oder all diese Anforderungen zusammen angestrebt werden. Seit Jahren suchen Ingenieure nach Möglichkeiten, das Schaltkreis-Design der vorhandenen Siliziumhalbleiter zu verbessern und erreichen immer wieder höhere Wirkungsgrade durch neues Topologien.

Seit dem Aufkommen der Halbleiterelektronik war Silizium (Si) das bevorzugte Material für Leistungssysteme, jetzt allerdings ist eine neue Generation von Materialien mit großer Bandlücke auf dem Markt etabliert, beispielsweise Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), die den Entwicklern von Leistungssystemen signifikante Möglichkeiten eröffnen.

In diesem Artikel gehen die Autoren insbesondere auf GaN-Transistoren ein und erläutert, wie sie die Leistungselektronik grundlegend verändern werden. Nehmen wir dazu schon einmal das Resümee vorweg: Die CoolGaN-Schalttransistoren-Familie für 600 V im E-Modus (enhancement mode) von Infineon Technologies bietet in Kombination mit einem dedizierten GaN-HEMT-EiceDRIVER eine sehr leistungsstarke und robuste GaN-Lösung mit signifikantem Zusatznutzen für hart und weich schaltende Systeme und Topologien der Leistungselektronik.

Der GaN-HEMT und sein Aufbau

Galliumnitrid (GaN) ist bereits seit Jahrzehnten auf dem Markt, in der Vergangenheit waren die Substrate jedoch so teuer, dass damit in der Praxis keine Transistoren gefertigt werden konnten. Diese Situation hat sich in den letzten Jahren verändert. Anstrengungen weltweit haben zu signifikanten Fortschritten bei der Produktion zuverlässiger GaN-Transistoren auf kostengünstigen Silizium-Substraten geführt; dies war der Schlüssel für den wirtschaftlichen Erfolg.

Technisch gesehen ermöglicht die breite Bandlücke von GaN höhere elektrische Feldstärken und damit kleinere HV-Schalter als Silizium-Transistoren, sodass sie Silizium-Transistoren nach dem aktuellen Stand der Technik in allen wichtigen Leistungszahlen übertreffen. Vor allem aber sind GaN-Schalttransistoren sogenannte Heterojunction-Transistoren mit hoher Elektronenmobilität (HEMTs). Diese Transistoren sind Planartransistoren mit lateralem Stromfluss (den Querschnitt zeigt Bild 1), während bei Silizium-Superjunction-MOSFETs (SJ-MOSFETs) der Strom vorwiegend vertikal fließt.

Ausgangsbasis ist ein Silizium-Substrat; dieses wird aufgrund der vorhandenen Lieferinfrastruktur und geringen Kosten verwendet. Anschließend werden epitaxial auf dem Silizium-Substrat Übergangslagen aufgebaut, um die Unterschiede der Kristallgitter und Wärmedehnungskoeffizienten von Si und GaN auszugleichen. Nach den Übergangsschichten werden weitere Schichten GaN, AlGaN und p-dotiertes GaN aufgebaut und geätzt, bis die in Bild 1 gezeigte Struktur entstanden ist. Metallisierungs- und Passivierungsschichten vervollständigen anschließend den Transistor.

Der Leitpfad zwischen dem Drain- und dem Source-Kontakt ist das sogenannte zweidimensionale Elektronengas (2DEG), das sich an der Heterojunction-Schicht zwischen den GaN- und AlGaN-Lagen bildet (in Bild 1 rot dargestellt). Das zweidimensionale Elektronengas wird durch die Potenzialdifferenz zwischen dem Gate und dem darunter befindlichen zweidimensionalen Elektronengas angereichert oder abgetragen. Auf diese Weise schaltet der Transistor ein oder aus. Das p-Gate erhöht das Potenzial soweit, dass das System eine positive Schwellenspannung besitzt und daher im Verstärkungsmodus arbeitet (Normalzustand nicht leitend). Die Gate-Kennlinie eines P-GaN-Transistors zeigt Bild 2.

Der p-Gate-HEMT aus Bild 1 kann auf zwei verschiedene Arten realisiert werden, je nach der Zusammensetzung des Gate-Metalls: Bei Verwendung von Titanium entsteht ein ohmscher Kontakt am Gate, bei Verwendung von Titaniumnitrid ein Schottky-Kontakt.

  • Das P-GaN-Gate mit Schottky-Kontakt ergibt Transistoren mit isoliertem Gate, ähnlich den bekannten MOSFETs. Ein solches Gate ist jedoch sehr empfindlich gegen Überspannung. Dies hat potenziell Nachteile für die Robustheit des Gerätes insgesamt, für die Zuverlässigkeit und Nutzungsdauer und erfordert zusätzliche Maßnahmen zur Begrenzung der Ist-Gate-Spannung.
  • Ein P-GaN-Gate mit ohmschen Kontakt ist dagegen wesentlich zuverlässiger und robuster. Da das Gate aber dann nicht länger vom Kanal isoliert ist, bildet es eine PN-Diode mit einer Durchlassspannung von etwa 3 V wie in Bild 2 dargestellt. Das unterscheidet diese Komponente deutlich von MOSFETs und beeinflusst signifikant das Gate-Ansteuerungskonzept. Mit seinen Hochspannungs-CoolGaN-Leistungstransistoren entschied sich Infineon für das Konzept ohne isoliertes Gate.

Die Hauptvorteile von GaN-HEMT-Bausteinen

CoolGaN-Transistoren im E-Modus haben aufgrund der folgenden Haupteigenschaften bessere Leistungsparameter als Silizium-Transistoren (beispielsweise SJ-MOSFETs):

Ausgangsladung Qoss: Konventionelle Silizium-SJ-Leistungstransistoren für 600 V haben eine deutlich nicht-lineare Ausgangsladungskennlinie. Wenn VDS von 0 auf etwa 25 V erhöht wird, steigt die Ladung schnell steil an. Diese Kurve flacht dann plötzlich ab, und die Ladung erhöht sich nur noch geringfügig, wenn VDS bis auf 400 V oder mehr erhöht wird. CoolGaN-Transistoren haben eine überwiegend lineare Kennlinie und die Gesamtladung ist deutlich geringer. Im Vergleich mit SJ-Transistoren ist bei gleichem RDS(on) die Ladung Qoss des CoolGaN-Transistors etwa zehnmal niedriger. Dies ist ein signifikanter Vorteil bei weich schaltenden Anwendungen und verkürzt die erforderliche Totzeit; außerdem werden so höhere Betriebsfrequenzen ohne Anstieg der Verluste möglich.

Eoss – die in Qoss gespeicherte Energie: Qoss ist, wie erwähnt, bei GaN-Transistoren im Gegensatz zu SJ-Transistoren um eine Größenordnung niedriger. Die Differenz der in Coss gespeicherten Energie ist jedoch deutlich geringer. Dieses Paradoxon ist auf die nicht-lineare Ausgangskapazität bei SJ-Transistoren zurückzuführen. Dort wird die meiste Ladung bei einer niedrigen Spannung VDS gespeichert und daher eine geringere Energie benötigt als für die eher lineare Kapazität der GaN-HEMTs. Infolge dessen ergibt sich bei Eoss eine relativ bescheidene Verbesserung um 25% gegenüber SJ-Transistoren. Hauptvorteil von GaN-Transistoren bei hart schaltenden Anwendungen ist somit nicht, dass der Wert für Eoss niedriger ist, sondern dass bei GaN-HEMTs keine Erholungsprobleme an der Body-Diode auftreten, sodass der Transistor effektiv in hart schaltenden Halbbrückenanwendungen wie Totem-Pole-Gegentaktschaltungen mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC) im Dauerstrombetrieb (CCM) eingesetzt werden kann und extrem hohe Wirkungsgrade erreicht werden.

Umkehrerholungsladung Qrr: Die Umkehrerholungseigenschaften von CoolGaN-Transistoren sind wohl der größte Einzelvorteil von GaN-Transistoren gegenüber Silizium-Transistoren. Silizium-Leistungstransistoren für 600 V haben von Natur aus eine Body-Diodenstruktur mit großer Umkehrerholungsladung und einen entsprechenden Spitzenstrom.

Dieser Spitzenstrom ist so hoch, dass SJ-Transistoren allgemein nicht für Topologien oder Regelstrategien eingesetzt werden, bei denen wiederholt Umkehrerholungen eintreten, beispielsweise in hart schaltenden Halbbrücken. CoolGaN-Transistoren haben keine Ladung Qrr, weil es keine Minoritätsträger in dem Kanal gibt, die wiederhergestellt werden müssen. Aus diesem Grund werden mit GaN ganz neue Topologie-Klassen möglich, die erstmals effektiv und effizient zur Leistungssteigerung eingesetzt werden können.

Gate-Ladung Qg : Von der Gate-Ladung hängt ab, wie schnell und wie häufig ein Transistor ein- oder ausgeschaltet werden kann – das heißt in der Leistungselektronik, mit welcher Frequenz die Gate-Ansteuerschaltung arbeiten kann. Bei Leistungstransistoren ist eine niedrige Gate-Ladung erwünscht. CoolGaN-Transistoren haben gegenüber SJ-Transistoren mit dem gleichen RDS(on) eine siebenmal niedrigere Ladung Qg.

Leitungsverluste: Der Temperaturkoeffizient von RDS(on) für CoolGaN-Transistoren ist niedriger als bei SJ-Silizium-Transistoren. Bei Temperaturen zwischen 25 und 150 °C liegt der typische Temperaturkoeffizient von RDS(on) für GaN bei 2,0, für SJ-Transistoren bei 2,4. Der 20%-tige Unterschied der Temperaturkoeffizienten bedeutet, dass bei gleichen Nennwerten für RDS(on) die Leistungsverluste in CoolGaN-Transistoren bei Betriebstemperatur niedriger sind. Infolge dieser wichtigen Transistor-Kennwerte können Leistungsschaltungen mit CoolGaN-Transistoren im Schaltbetrieb von einem besseren Energiewirkungsgrad bzw. der höheren Leistungsdichte profitieren, die mit Silizium-Transistoren nach dem aktuellen Stand der Technik nicht möglich sind.

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