Das Bild zeigt eine Röntgenaufnahme der Halbbrückenschaltung und einen Schaltplan der hochintegrierten GaN Power ICs.

Bild: Fraunhofer IAF

Modulare GaN-Leistungs-ICs Integrierte Spannungswandler statt diskreter Bauteile

08.07.2020

Je kompakter Spannungswandler sind, desto energieeffizienter arbeiten sie. Mit den diskreten Standardkomponenten, die den Markt der GaN-Leistungselektronik dominieren, ist ein kompakter Systemaufbau aber oft schwierig. Nun gibt es eine Alternative: als Halbbrückenschaltung integrierte GaN Power ICs.

Nachhaltige Energiekonzepte wie die Elektromobilität oder die erneuerbare Stromerzeugung sind auf energieeffiziente Leistungselektronik angewiesen. Leistungshalbleiter kommen schon seit Jahren in Spannungswandlern zum Einsatz, um den steigenden Anforderungen an die Energieversorgung und -nutzung gerecht zu werden.

Es sind aber nicht nur die Halbleitermaterialien selbst entscheidend, sondern auch der Aufbau und das Design der Bauteile; denn je kompakter und effizienter der Aufbau ist, desto ressourcenschonender arbeiten sie. Genau das gestaltet sich aber oft schwierig: Die kritischen Leiterschleifen zwischen Transistoren und der Spannungsversorgung müssen bisher aus diskreten Komponenten individuell als Schaltungen aufgebaut und verdrahtet werden.

Als anwenderfreundliche Alternative haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF ihre Galliumnitrid-basierten integrierten Leistungsschaltungen (GaN Power ICs) als Halbbrücke in eine Leiterplatte eingebettet, die gleichzeitig als Gehäuse die kritischen Verdrahtungen samt Gate- und Zwischenkreiskondensator bereitstellt. Das Resultat ist ein hochkompakter und effizienter Spannungswandler, der sich für 600-V-Anwendungen eignet und einen modularen Systemaufbau für leichtere Design- und Produktionsprozesse ermöglicht.

Monolithische integrierte GaN Power ICs

Im Rahmen des Forschungsprojekts GaNIAL ist es den Fraunhofer-Forschern im vergangenen Jahr gelungen, Strom- und Temperatursensorik, Leistungstransistoren der 600-V-Klasse, intrinsische Freilaufdioden und Gate-Treiber in einem einzigen GaN Power IC monolithisch zu integrieren. Das Halbleitermaterial Galliumnitrid wurde dabei auf preiswertes Siliziumsubstrat abgeschieden (GaN-auf-Si), wodurch sich die Chiptechnologie auch für einen kostengünstigen Einsatz in Massenanwendungen und in der Industrie eignet.

Durch seine hohe Integrationsdichte ermöglicht der GaN Power IC eine höhere Schaltfrequenz sowie Leistungsdichte als vergleichbare Schaltungen. Gleichzeitig erhöht er die Zuverlässigkeit und Kompaktheit durch die integrierte Sensorik. Die Forscher konnten hier DC/DC-Wirkungsgrade von über 98,8 Prozent bei 350 V erreichen und auch eine hohe Schaltfrequenz von 40 MHz im Dauerbetrieb bei 250 V und resonantem Betrieb nachweisen.

Halbbrückenschaltung durch PCB-Embedding

„Die GaN-auf-Si-Technologie ermöglicht zwar monolithisch integrierte Schaltungen für Halbbrückenwandler, löst aber nicht das Verdrahtungsproblem zu externen Kondensatoren“, erklärt Stefan Mönch, Wissenschaftler am Fraunhofer IAF. Diese kritischen Verbindungen zur Gatetreiber- und Zwischenkreisspannung seien aber essenziell für ein sauberes und effizientes Schaltverhalten. „Um unserem Ziel eines optimalen Spannungswandlers näher zu kommen, mussten wir im nächsten Schritt die perfekte hochintegrierte Aufbautechnik für unsere GaN Power ICs finden.“

Hierfür prozessierten die Forscher ihre ICs mit einer dicken Kupfergalvanik auf beiden Seiten. Diese Anpassung der Metallisierung ermöglichte es, die Chips in der serientauglichen ET-Microvia-Embedding-Technologie von Würth Elektronik aufzubauen. Zusammen mit den Projektpartnern Bosch und der Universität Stuttgart entwarfen die Forscher so ein nur 12 mm breites und 0,4 mm flaches Leiterplattengehäuse, das zwei monolithische GaN Power ICs als Halbbrücke integriert.

Die kritischen Entkopplungskapazitäten für die Gatetreiber- und Zwischenkreisspannung werden dabei bereits auf dem Gehäuse bereitstellt. Die Embedding-Technologie macht Bonddrähte obsolet, was gleichzeitig die parasitären Induktivitäten minimiert. Die kritischen Verbindungen zwischen GaN IC und den Kapazitäten sind damit bereits optimiert und müssen nicht mehr aufwendig auf Anwenderseite entworfen werden.

Das Ergebnis ist eine anwenderfreundliche Lösung, die alle kritischen Komponenten eines Schaltwandlers in einem modularen Gehäuse bereitstellt.

Bildergalerie

  • Die eingebettete GaN-auf-Si-Halbbrückenschaltung beinhaltet die Gate- und Zwischenkreis-Kondensatoren und erspart somit das externe Verdrahten.

    Bild: Fraunhofer IAF

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