650-V-GaN-Schalter ersetzt FETs

Renesas, ein Anbieter von Halbleiterlösungen, stellt den ersten bidirektionalen Schalter der Branche auf Basis der D-Mode-GaN-Technologie (Depletion Mode) vor. Das Bauelement kann dank einer integrierten DC-Sperrfähigkeit sowohl positive als auch negative Ströme in einem einzigen Bauteil sperren. Der Hochvolt-Schalter TP65B110HRU adressiert Anwendungen wie einstufige Solar-Mikroinverter, AI-Datacenter und Onboard-Ladegeräte für Elektrofahrzeuge. Er vereinfacht das Design von Leistungswandlern erheblich, da er herkömmliche Back-to-Back-FET-Schalter durch ein einzelnes, verlustarmes, schnell schaltendes und einfach anzusteuerndes Bauelement ersetzt.

Einstufige Topologien erhöhen die Effizienz

In heutigen Hochleistungswandlern kommen überwiegend unidirektionale Schalter aus Silizium oder Siliziumkarbid (SiC) zum Einsatz. Diese sperren im ausgeschalteten Zustand den Strom nur in eine Richtung. Daher muss die Leistungswandlung meist auf mehrere Stufen mit verschiedenen geschalteten Brückenschaltungen verteilt werden. Ein typischer Solar-Mikroinverter verwendet beispielsweise zunächst eine Vollbrücke mit vier Schaltern, um in der ersten Stufe eine DC/DC-Wandlung durchzuführen. In einer zweiten Stufe wird anschließend die AC-Ausgangsspannung für die Netzeinspeisung erzeugt. Obwohl sich die Branche zunehmend effizienteren einstufigen Wandlerkonzepten zuwendet, müssen Entwickler die grundlegenden Schaltbeschränkungen konventioneller Bauelemente weiterhin berücksichtigen. Viele heutige einstufige Designs setzen daher unidirektionale Standardschalter in Back-to-Back-Anordnung ein. Das führt zu einer Vervierfachung der benötigten Schalter und wirkt sich negativ auf die Effizienz aus.

Bidirektionales GaN verändert diese Situation grundlegend. Durch die Integration der bidirektionalen Sperrfunktion in einem einzigen GaN-Bauelement lässt sich die Leistungswandlung in einer einzigen Stufe mit weniger Schaltern realisieren. Ein typischer Solar-Mikroinverter benötigt beispielsweise nur zwei Hochvolt-Bauelemente des Typs Renesas SuperGaN mit bidirektionaler Funktion. Dadurch entfallen die zwischengeschalteten DC-Link-Kondensatoren und die Anzahl der Schalter reduziert sich um die Hälfte. Darüber hinaus schalten GaN-Bauelemente sehr schnell und mit geringer gespeicherter Ladung. Dadurch lassen sich höhere Schaltfrequenzen und eine höhere Leistungsdichte erreichen. In einer realen Implementierung eines einstufigen Solar-Mikroinverter demonstrierte die neue GaN-Architektur einen Wirkungsgrad von über 97,5 Prozent, da Back-to-Back-Schaltungen und langsam schaltende Silizium-Schalter entfallen.

Robuste Performance und hohe Zuverlässigkeit mit siliziumkompatiblen Treibern

Die praxiserprobten 650-V-SuperGaN-Bauelemente von Renesas basieren auf einer proprietären Normally-Off-Technologie, die sich einfach ansteuern lässt und eine hohe Robustheit bietet. Der TP65B110HRU kombiniert einen bidirektionalen Hochvolt-D-Mode-GaN-Chip mit zwei Low-Voltage-Silizium-MOSFETs in einem Gehäuse. Diese verfügen über eine hohe Schwellspannung (3 V) und eine große Gate-Spannungsmarge (±20 V). Integrierte Body-Dioden erlauben eine effiziente Rückwärtsleitung. Im Vergleich zu bidirektionalen GaN-Bauelementen im Enhancement-Mode (E-Mode) ist der bidirektionale GaN-Schalter von Renesas mit Standard-Gate-Treibern kompatibel, die keine negative Gate-Vorspannung benötigen. Dadurch vereinfacht sich das Gate-Loop-Design und die Kosten sinken. Gleichzeitig sorgt dies für schnelles und stabiles Schalten sowohl im Soft- als auch im Hard-Switching-Betrieb ohne Leistungseinbußen. Leistungstopologien, die Hard Switching erfordern – beispielsweise Vienna-Gleichrichter – profitieren von der hohen dv/dt-Festigkeit von über 100 V/ns mit minimalem Schwingen und kurzen Verzögerungen beim Ein- und Ausschalten. Das GaN-Bauelement von Renesas ermöglicht somit echtes bidirektionales Schalten bei gleichzeitig hoher Robustheit, Performance und einfacher Ansteuerung.

„Die Erweiterung unserer SuperGaN-Technologie auf die bidirektionale GaN-Plattform markiert einen grundlegenden Wandel in den bisherigen Designkonzepten der Leistungswandlung“, erklärt Rohan Samsi, Vice President der GaN Business Division bei Renesas. „Kunden können nun mit weniger Schaltbauelementen, einer kleineren Leiterplattenfläche und niedrigeren Systemkosten eine höhere Effizienz erreichen. Gleichzeitig lässt sich die Entwicklung beschleunigen, da sie von der Systemintegration von Renesas mit Gate-Treibern, Controllern und Power-Management-ICs profitieren.“

Wesentliche Merkmale des TP65B110HRU

• ±650 V kontinuierliche AC-/DC-Spitzennennspannung

• ±650 V kontinuierliche AC-/DC-Spitzennennspannung

• ±800 V Transientenfestigkeit

• 2 kV ESD-Festigkeit nach Human Body Model (HBM und CDM)

• 110 mΩ typischer RSS,on bei 25 °C

• Vgs(th): 3 V (typ.)

• Keine negative Ansteuerung erforderlich

• Vgs: ±20 V (max.)

• dv/dt-Festigkeit von über 100 V/ns

• Freilaufdiode mit 1,8 V Vorwärtsspannung (VSS,FW)

• TOLT-Gehäuse mit Top-Side-Kühlung und industrieweit standardisiertem Pinout

Renesas präsentiert vom 22. bis 26. März 2026 auf der Applied Power Electronics Conference (APEC) in San Antonio, Texas, am Stand #1219 den neuen bidirektionalen GaN-Schalter sowie sein stetig erweitertes Portfolio intelligenter Power-Lösungen.

Verfügbarkeit

Der bidirektionale GaN-Schalter TP65B110HRU ist ab sofort in Stückzahlen verfügbar. Mit dem zusätzlich erhältlichen Evaluierungskit RTDACHB0000RS-MF-1 können Anwender verschiedene Ansteuerungsoptionen testen, AC-Nulldurchgänge detektieren und ZVS-Soft-Switching implementieren.

Winning Combinations

Renesas stellt eine 500-W-Solar-Mikroinverter- und eine dreiphasige Vienna-Gleichrichterlösung bereit. Diese kombinieren den neuen bidirektionalen GaN-Schalter mit zahlreichen kompatiblen Bauelementen aus dem eigenen Portfolio. Die Winning Combinations basieren auf technisch validierten Systemarchitekturen, die aus aufeinander abgestimmten Komponenten bestehen und nahtlos zusammenarbeiten. Sie ermöglichen optimierte, risikoarme Designs mit deutlich verkürzter Entwicklungszeit. Insgesamt bietet Renesas über 400 Winning Combinations mit einer breiten Palette von Produkten aus dem eigenen Portfolio. Anwender können damit ihren Entwicklungsprozess beschleunigen und ihre Produkte schneller auf den Markt bringen. Eine Übersicht aller Winning Combinations ist hier verfügbar.