Technologie

Galliumnitrid-Schaltungen für niedrige Spannungen

16.06.2021 - Neue Konzepte für Leistungselektronik im Niedervolt-Bereich.

Ob akkubetriebene Anwendungen wie E-Bikes, Robotik oder Drohnen, Antriebs- und Board­systeme in der Mobilität, oder IT-Infra­strukturen – all diese Bereiche sind auf kosten­günstige, effiziente, kompakte Elektronik angewiesen. Damit dieser Bedarf gedeckt werden kann, forscht das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörper­physik IAF an Gallium­nitrid-basierten Schaltungen für Leistungs­elektronik-Anwendungen auch bei kleinen Spannungen bis zu 48 Volt.

Die 48 Volt-Klasse hält in letzter Zeit in verschiedensten Branchen Einzug. Grund dafür ist die effizientere Leistungs­übertragung, die sie im Vergleich zu noch niedrigeren Versorgungs­spannungen bietet. Ein Wechsel zu 48 Volt ist deshalb auch bei Anwendungen, die bisher noch niedrigere Spannungen nutzen, eine ressourcen­schonende Alternative. 48 Volt bietet im Gegensatz zu Hochvolt-Leistungs­elektronik einen optimalen Kompromiss aus Effizienz und Sicherheit, da noch keine aufwendigen Sicherheits­maßnahmen nötig werden und die Spannungs­klasse sich somit auch für alltägliche Anwendungen eignet. Hoch­integrierte Galliumnitird (GaN) Komponenten und Systeme sind die ideale Lösung für die 48 Volt-Technik. Denn GaN besitzt im Vergleich zu Silizium (Si) deutlich bessere physika­lische Eigen­schaften für die Leistungs­elektronik.

Darüber hinaus lassen sich mit der GaN-Technologie ganze Schaltungs­teile auf einem Chip integrieren. So haben die Forscher verschiedene hoch­integrierte GaN-Schaltungen und wegweisende Integrations­konzepte für Niedervolt-Anwendungen entwickelt: Zwei sonst nebeneinander realisierte Transistoren einer inte­grierten Halbbrücke wurden in ein hochkompaktes ineinander verschach­teltes Halbbrücken-Design überführt, das besonders flächen­effizient ist. Drei solcher Halbbrücken wurden in einem Motor­inverter GaN IC für Niedervolt-Anwendungen integriert und eine fort­schrittliche Aufbautechnik für GaN ICs realisiert. Bei verschiedenen Leistungs­elektronik-Anwendungen kommen schon seit einigen Jahren GaN on Si High-Electron-Mobility-Tran­sistoren (HEMTs) erfolgreich zum Einsatz. Es konnte gezeigt werden, wie mit fort­schrittlichen Layouts und neuen analytischen Entwurfs­konzepten GaN-Bauelemente künftig noch kompakter und effizienter werden. „In der Forschung und Entwicklung waren bislang vor allem die 600 Volt GaN-Bauelemente im Fokus. Konzepte zum Entwurf von hoch­kompakten Niedervolt-GaN-Power ICs sind kaum erforscht!“ sagt Richard Reiner, Wissen­schaftler am Fraunhofer IAF.

„Die GaN-Techno­logie erlaubt die Integration einer Halbbrücke bestehend aus zwei Leistungs­transistoren in einem Chip, was die Kompaktheit eines Systems deutlich erhöht. Um diesen Vorteil nutzen zu können, ist es aber extrem wichtig die Integration auf Packaging- und Chiplevel zu optimieren,“ erklärt Doktorand Michael Basler. Denn das Packaging der Halbbrücken-ICs stellt durch die hohen Anfor­derungen bzgl. elek­trischer und thermischer Leistung sowie Zuverlässigkeit eine Herausforderung dar. In seinem Vortrag präsentierte der Freiburger Wissenschaftler eine Kombination von GaN ICs mit PCB-Embedding Technologie als eine fort­geschrittene Packaging-Lösung, die sich bis zu einem System-in-Package erweitern lässt und extrem hohe Leistungs­dichten bei Niedervolt DC/DC-Wandler ermöglicht. 

Neben Einzel­transistoren gibt es bereits kommerzielle GaN Niedervolt-Halbbrücken ICs. Diese integrieren zwar zwei Leistungs­transistoren in einem Chip, allerdings lediglich nebeneinander, wodurch noch nicht das volle Potential genutzt wird. Die Forscher haben es jetzt geschafft, beide Halbrücken­transistoren in der kleinsten Strukturebene ineinander zu verschachteln, was die Effizienz noch weiter verbessert. Drei dieser Halbbrücken­strukturen wurden in einen 3-Phasen Motorinverter GaN IC integriert. Der Entwickler des Motorinverter GaN ICs, Stefan Mönch, erklärt die Vorteile, die durch den verschach­telten Aufbau entstehen: „Die intrinsische Halbbrücke verbessert die elektrischen Schalt­eigenschaften, und alle drei Phasen im selben IC reduzieren den Tempe­raturhub bei Motorbetrieb. Nur ein IC ist auch günstiger und einfacher aufzubauen als sechs Transistoren oder drei Halbbrücken, die man bisher für einen GaN-basierten Motor­inverter benötigte.“

Fh.-IAF / JOL

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