Bei der Verwendung von SiC und GaN gibt es einige Herausforderungen zu bewältigen. Erst einmal überwunden, lassen sich mit den Halbleitern jedoch wirkungsvolle und platzsparende Stromversorgungen realisieren.

Bild: iStock, Watcha

SiC und GaN richtig einsetzen Moderne Stromversorgungen designen

11.04.2019

SiC und GaN etablieren sich immer stärker am Leistungselektronikmarkt. Für Entwickler von Stromversorgungen ist die Verwendung dieser Materialien allerdings nicht ganz einfach. Schließlich unterscheiden sie sich in einigen Punkten sehr stark vom herkömmlichen Silizium. Werden diese Punkte beachtet, lassen sich damit aber deutlich effizientere, schneller schaltende und platzsparendere Stromversorgungen designen.

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Nach Angaben der World Semiconductor Trade Statistics hat jede Person auf der Erde im Jahr 2016 durchschnittlich 111 Halbleiterchips gekauft. Die Verwendung dieser Bauelemente wächst fünfmal schneller als die Weltbevölkerung. Das enorme Wachstum bei Halbleiteranwendungen bringt einen ähnlich steigenden Bedarf an Energie mit sich. Aus Kostengründen und wegen der Notwendigkeit, die Treibhausgas-Emissionen zu senken, müssen diese ICs allerdings mit weniger Energie mehr Leistung bringen. Diese konträren Anforderungen betreffen alle Anwendungen, besonders aber Stromversorgungen oder Netzteile.

Die Notwendigkeit, Energie effizienter zu nutzen, hat eine kontinuierliche Weiterentwicklung bei den siliziumbasierten Technologien vorangetrieben. Außerdem wurde dadurch die Entwicklung von Halbleitern vorangetrieben, die auf Wide-Bandgap-Materialien basieren, wie etwa Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC). Bauelemente auf der Grundlage dieser Werkstoffe nutzen die Energie und den benötigten Platz besser und finden deshalb zunehmend Eingang in den Stromversorgungsmarkt.

Wichtiges Maß Leistungsdichte

Als Resultat dieser Entwicklungen steht den heutigen Stromversorgungsdesignern eine breitere Palette von Technologien zur Auswahl, was angesichts der Vielfalt der heutigen elektronischen Systeme auch absolut notwendig ist. Es überrascht außerdem nicht, dass diese Technologien ihre spezifischen Stärken in unterschiedlichen Bereichen des Anwendungsspektrums besitzen. Um die optimale Lösung zu finden, muss ein Designer von Stromversorgungen deshalb wissen, welche Abstriche die verschiedenen Optionen hinsichtlich der Effizienz und der betrieblichen Eigenschaften erfordern.

Neben der Energieeffizienz gibt es noch weitere Kriterien, die bei der Auswahl von Stromversorgungslösungen eine Rolle spielen. In vielen Systemen ist beispielsweise der Platz knapp. Die Bauelemente müssen deshalb kleiner werden und weniger Wärme entwickeln, um den Kühlaufwand zu verringern. Die in W/cm3 gemessene Leistungsdichte ist ein wichtiges Maß für die effiziente Raumausnutzung in Systemen jeder Art, besonders aber in Anwendungen, die besonders dicht bestückt sind, beispielsweise Rechenzentren und Telekommunikations-Vermittlungsstellen.

In anderen Anwendungen, wie etwa Fahrzeugen und portabler Elektronik, kommt zur Forderung nach effizienter Raumausnutzung die Notwendigkeit eines geringen Gewichts hinzu. Die auf die Masse umgerechnete Leistung, angegeben in kW/kg, ist eine weitere Effizienzangabe, mit deren Hilfe zwischen verschiedenen Designs für diese Systeme abgewogen werden kann.

Zu den Forderungen nach viel Leistung bezogen auf den Platz und das Gewicht kommen die Kosten hinzu. Für jedes Design wird schließlich ein bestimmtes Kostenbudget vorgegeben und in einigen Fällen können Kostenfaktoren sogar Abstriche an der Energieeffizienz, dem benötigten Platz und dem Gewicht verlangen. Qualität und Zuverlässigkeit sind ebenfalls entscheidend, denn der Austausch von Halbleiterbauteilen und Endgeräten im Feld ist sehr kostspielig.

Das Ziel bei der Entwicklung von Leistungshalbleitern ist deshalb, möglichst hohe Effizienzwerte zu erhalten. Dafür müssen Verluste, Platzbedarf, Gewicht, Kosten und Ausfallraten gering sein. Allerdings sind Leistungshalbleiter, die in einem Anwendungsbereich die besten Eigenschaften bieten, für ein anderes Einsatzgebiet oft nicht optimal geeignet. Es werden also mehrere Technologien benötigt. Die Designer sind deshalb gefordert, sorgfältig die Technologie auszuwählen, die den Anforderungen der Applikation am besten gerecht wird.

Große Fortschritte bei Leistungs-ICs

Moore’s Law war jahrelang der Standard, was die Skalierung von digitalen CMOS-Schaltungen und Speichern betraf. Auf Leistungshalbleiter lässt sich dieses Gesetz jedoch in der Regel nicht anwenden. Bei den digitalen Schaltungen sind die Spannungen von 5 auf weniger als 1 V gefallen, während die Schaltgeschwindigkeiten größer und die Lithografiestrukturen kleiner wurden. Stromversorgungen aber müssen mit immer mehr Leistung umgehen, damit die Eingangsspannungen nach wie vor hoch bleiben können.

Eine weitere Überlegung betrifft das Design von Leistungshalbleitern und anderen analogen Bauelementen. Es ist meist mehrdimensionaler als das Design digitaler Chips, bei dem Transistoren mit gleichen Eigenschaften mehrere Milliarden mal duplizieren werden. Neue Entwicklungen bei den Leistungstransistoren verlangen, dass das Elektronikökosystem mit Regelschaltungen, Gehäusen, thermischen Eigenschaften, Schutz vor Spannungstransienten und verschiedenen Arten von Signalinterferenzen sowie magnetischen Bauelementen aufgerüstet wird.

Diese Aspekte müssen Designer ebenfalls berücksichtigen. Sie bringen teilweise erheblichen Entwicklungsaufwand mit sich. Ungeachtet dieser Herausforderungen wurden bemerkenswerte Fortschritte bei den Leistungs-ICs erzielt. Seit mindestens 20 Jahren halbierten sich die Verluste alle fünf Jahre. In platzkritischen Anwendungen wie der Telekommunikation hat sich sogar die Leistungsdichte der Stromversorgungsmodule seit den 1970er Jahren alle zehn Jahre verdoppelt.

Der Umstieg auf Schaltnetzteile hat entscheidend zur Steigerung der Energieeffizienz beigetragen. Schaltnetzteile, bei denen die Höhe der Ausgangsspannung im Zeitbereich durch hochfrequentes pulsweitenmoduliertes Schalten geregelt wird, können die doppelte Energieeffizienz erreichen wie lineare Stromversorgungen. Sie bringen aber neue Herausforderungen mit sich, was sich durch einen größeren Bauteileaufwand und ein komplexeres Design äußert. Diese Faktoren treten umso mehr in den Vordergrund, je weiter die Technologie in Richtung höherer Leistung und Schaltfrequenzen vorstößt.

Die Stärken von GaN und SiC

Die Industrie verfügt über eine etablierte Technologiebasis auf Grundlage von Silizium (Si) sowie das entsprechende Know-how, weshalb dieses Material die kostengünstigste Wahl für Leistungshalbleiter bleibt. Innovationen wie der GTO, der IGBT und der Superjunction-MOSFET haben außerdem mitgeholfen, die Wattzahlen der Leistungsbausteine zu erhöhen. Allerdings sind Si-Bauelemente nicht in der Lage, hohe Leistungen zu verarbeiten und gleichzeitig sehr schnell zu schalten. Das verringert ihre Effizienz bei der Leistungswandlung und macht sie außerdem schwer und sperrig.

Infolge der zunehmenden Verwendung von GaN und SiC ändern sich die Verhältnisse bei den Leistungssystemen. Dank der breiteren Bandlücke dieser Werkstoffe lassen sich Bauelemente herstellen, die für höhere Spannungen und Schaltfrequenzen geeignet sind und die Verwendung kleinerer passiver Bauelemente zulassen. Mit Leistungshalbleitern auf GaN- und SiC-Basis werden Stromversorgungssysteme umsetzbar, die effizienter, kleiner und leichter sind, als Systeme auf Si-Basis.

GaN und SiC besitzen allerdings gewisse Performance-Unterschiede. GaN kommt mit höheren Frequenzen zurecht, SiC ist aber für höhere Eingangsspannungen geeignet und kann höhere Ausgangsleistungen erzielen. Mit geeigneten Leistungsstufen-Designs sind aber auch mit GaN beträchtliche Ausgangsleistungen realisierbar. Momentan scheint GaN die geeignetere Option für Stromversorgungen mit Spannungen von 600 bis 700 V in Anwendungen wie Telekommunikations- und Serversystemen zu sein. Wenn es hingegen um Hybrid- und Elektrofahrzeuge und PV-Wechselrichter geht, die nach höheren Spannungen verlangen, wird SiC zur besseren Wahl.

Auch kostenmäßig mit Silizium konkurrieren

Der Stromversorgungsmarkt benötigt sämtliche Optionen an Leistungshalbleitern. GaN und SiC werden aber die Zukunft vorantreiben – mit hoher Leistung, Leistungsdichte und Gewichtseffizienz. Zukünftig können die beiden Technologien außerdem kostenmäßig auch besser mit Silizium konkurrieren. Ihr Stellenwert wird deshalb weiter wachsen.

Die mit GaN und SiC möglichen höheren Schaltfrequenzen können beim Design gewisse Herausforderungen mit sich bringen, die sich aber erfolgreich bewältigen lassen. Zu diesen potenziellen Problemen gehören hochfrequente Rückwirkungen vom Schalter in das Netz, hochfrequente Schaltstörungen, Timing-Probleme durch die knappen Zeitfenster für das Schalten und die im Schaltweg immer kritischer werdenden parasitären Induktivitäten.

Texas Instruments bietet Module an, die als fertig vorproduzierte und verifizierte Lösungen den soeben aufgezählten Herausforderungen begegnen. Sie verkürzen die Entwicklungszeiten und entkräften Befürchtungen hinsichtlich des als übermäßig komplex empfundenen Designs mit Wide-Bandgap-Technologien.

Ein Beispiel ist der einkanalige GaN-Baustein LMG3410, der einen GaN-basierten Hochleistungs-Schalttransistor und einen eigens optimierten Treiber in einem Gehäuse zusammenfasst. Ebenfalls integriert sind wichtige Funktionen wie ein Überstrom- und ein Übertemperaturschutz. Der Baustein beseitigt sämtliche Schwierigkeiten mit dem Management der Parasitics und der Schleifen-Induktivitäten zwischen Leistungshalbleiter und Treiber.

Im Verbund mit kompatiblen analogen und digitalen Leistungsreglern stellt er ein komplettes Ökosystem für das Design kleiner, sehr effizienter und leistungsfähiger Stromversorgungen zur Verfügung. Von TI gibt es außerdem schnelle GaN-FET-Treiber für effizientere, leistungsfähigere Designs speziell für Anwendungen, in denen es auf die Geschwindigkeit ankommt.

Laser für Lidar

Mit einer minimalen Pulsweite von 1 ns ermöglicht der 60-MHz-Low-Side-GaN-Treiber LMG1020 die Implementierung sehr präziser Laser für industrielle Lidar-Anwendungen. Der LMG1210 wiederum ist ein 50-MHz-Halbbrücken-Treiber für GaN-FETs bis 200 V. Die einstellbare Totzeit des Bausteins dient dazu, den Wirkungsgrad in schnellen Gleichspannungswandlern, Antrieben, Klasse-D-Audioverstärkern und anderen Leistungswandleranwendungen um bis zu 5 Prozent zu verbessern.

In Rechenzentren sind kompakte Lösungen gefragt, die auf geringem Raum viele Kanäle unterbringen. Hier kommt es auf die Energieeffizienz an, um die Betriebskosten zu senken und die Wärmeentwicklung und den Platz für die Kühlung zu reduzieren. Stromversorgungen basierend auf GaN-Transistoren besitzen diese Vorteile dank ihrer höheren Umwandlungseffizienz und der Verwendung kleinerer Induktivitäten und Kondensatoren. Für GaN-Stromversorgungen bietet sich die Beschränkung auf eine Wandlerstufe an, was den Bauteileaufwand senkt und die Umwandlungsverluste minimiert. Mit der einstufigen Umwandlung ist es außerdem möglich, hohe Spannungen direkt auf die Leiterplatte der Applikation zu führen.

Auch der Automarkt ist in Bezug auf Platz und Gewicht anspruchsvoll. Nicht nur die Kosten müssen für Pkw und leichte Nutzfahrzeuge sorgfältig kalkuliert werden, sondern auch die Spannungen variieren stark. In Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor reichen sie von 5 bis mehr als 100 V, in Hybrid- und Elektroautos sind sie noch höher. Je stärker der Markt für Hybrid- und Elektrofahrzeuge wächst, umso kritischer wird die effiziente Leistungswandlung und desto stärker wird der Zwang, leistungsfähigere Systeme auf effizientere Weise in weniger Volumen und mit weniger Gewicht zu integrieren. Power-Module auf GaN- und SiC-Basis können helfen, diese Designvorgaben für Hybrid- und Elektrofahrzeuge zu erfüllen.

Neben Rechenzentren und Automobilen profitieren auch intelligente Fabriken, Büros, Häuser und Smart Grids von der Effizienz der Umwandlung und höheren Leistungsdichte, die GaN und SiC bieten. Die Entwicklung bei siliziumbasierten Bauelemente bleibt aber nicht stehen. Hier werden die Grenzen der Fertigungstechnologie immer weiter hinausgeschoben, um die Effizienz zu verbessern und mit den immer ausgereifteren, zuverlässigeren und günstigeren Wide-Bandgap-Halbleitern Schritt zu halten.

Bildergalerie

  • Der Baustein LMG3410 kombiniert in einem Gehäuse einen auf GaN basierenden Hochleistungs-Schalttransistor und den dazugehörigen Treiber. Er lässt sich mit analogen und digitalen Leistungsreglern zu einem Ökosystem für das Design von kleinen und effizienten Stromversorgungen verbinden.

    Bild: Texas Instruments

  • Die verschiedenen Halbleitertechnologien unterscheiden sich deutlich in Leistung und Frequenz. Allerdings gibt es auch große Überschneidung zwischen ihnen.

    Bild: Texas Instruments

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