Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid und Galliumnitrid – darauf muss man achten

Wie im Blog-Beitrag, Galliumnitrid GaN – das nächste große Ding, ausgeführt, gehen wir davon aus, dass Galliumnitrid und Siliziumkarbid in Zukunft die dominierenden Materialien für die Leistungselektronik sein werden. Worauf müssen sich Entwickler einstellen, die bisher nur mit Siliziumkomponenten gearbeitet haben?

In der Leistungselektronik sind die wichtigsten Parameter der Wirkungsgrad, die Leistungsdichte und die Zuverlässigkeit eines Produktes. Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) gewinnen in der Leistungselektronik an Popularität und haben das Potenzial, den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte von Schaltungen in der Leistungselektronik deutlich zu erhöhen. Die Vorteile der sogenannten Wide-Band-Gap-Halbleiter GaN und SiC sind klar. Jedoch müssen die für die Leistungshalbleiter erforderliche Ansteuerung und das Schaltverhalten berücksichtigt werden, um ein robustes Design zu gewährleisten. Wir wollen hier einen kurzen Überblick darüber geben, wo die Unterschiede dieser Halbleiter zu den herkömmlichen Siliziumkomponenten liegen, was die wichtigsten Designpunkte sind, die beachtet werden müssen.

Die Vorteile

SiC- und GaN-Transistoren haben bei gleicher Nennspannung einen niedrigeren RDS_ON und eine höhere Effizienz beim Schalten, da sie keine Sperrverzugszeit aufweisen und deutlich niedrigere parasitäre Kapazitäten aufweisen. Dies eröffnet Möglichkeiten für neue Schaltungstopologien, deutlich höhere Betriebsfrequenzen und eine schaltungstechnische Leistungssteigerung. Das senkt die Systemkosten. In typischen Anwendungen, wie Stromversorgungsmodulen, Invertern und Klasse-D-Verstärkern, können Effizienzsteigerungen von 3 bis 5 Prozent, Reduzierung der Packungsdichte von 20 bis 35 Prozent und damit Kosteneinsparungen von 20 bis 30 Prozent erreicht werden. Einzug finden SiC/GaN-Halbleitertechnologien auch in erneuerbaren Energien, Smart-Grit, Avionik und Industrieelektronik. Diese Anwendungen erfordern jedoch Schaltungstopologien, bei denen die Halbleiter bei hohen Frequenzen und mit großer Leistung betrieben werden.

Unterschiede in der Ansteuerung

Es gibt Unterschiede bei der Ansteuerung von SiC- und GaN-Transistoren. GaN-FETs sind „laterale“ Bauelemente und benötigen daher eine relativ niedrige Ansteuerspannung von 5 bis 6 V. Einige GaN-Bauelemente verwenden eine Kaskodenkombination, bestehend aus einem Feldeffekttransistor mit GaN-Übergang (JFET) und einem Silizium-FET. Ihre Ansteuerungstechnik ähnelt der Ansteuerung von Silizium-FETs. Durch den speziellen Aufbau des GaN-FETs bildet sich in ihm ein sogenanntes zweidimensionales Elektronengas (2DEG) aus, dass die Elektronenbeweglichkeit in der lateralen Schicht, in der der Hauptstrom (Drain -> Source) erfolgt, praktisch nicht einschränkt und so das Bauelement bis zu sehr hohen Frequenzen im GHz-Bereich anwendbar macht. Auch der spezifische Einschaltwiderstand des GaN-Transistors ist sehr klein, er bewegt sich typischerweise im zweistelligen m-Bereich.

SiC-FETs benötigen ca. 20 V zum Einschalten und eine negative Spannung von bis zu -5 V zum Ausschalten, um ein versehentliches Wiedereinschalten aufgrund von Überschwingern und Störungen auf der Bezugsmasse beim Schalten hoher Spannungen und Strömen zu verhindern und so dem Miller-Effekt entgegenzuwirken. SiC-MOSFETs haben zudem eine geringe Steilheit (dI/dU) und benötigen sehr steil ansteigende und abfallende Ansteuerimpulse von typ. 1 bis 3 ns.

Schwingungen verhindern

Das Leiterplattenlayout von SiC-MOSFETs, vor allem aber von GaN-FETs, ist eine Herausforderung. Ein typischer Si-Superjuction-FET benötigt zum harten Durchschalten eine Treiberladung von 120 bis 150 nC, während ein SiC-FET nur 30 nC benötigt. Dies bedeutet nicht nur eine erhebliche Reduzierung der Ansteuerleistung für GaN- und SiC-Transistoren, sondern auch, dass die Bauelemente, besonders die GaN-Transistoren, durch die recht geringen parasitären Kapazitäten sehr leicht zum Schwingen neigen. Die Halbleiter verzeihen keine parasitären Induktivitäten im Layout. Ein HF-gerecht gestaltetes Layout ist notwendig, Gate-Treiber und MOSFET müssen sich in unmittelbarer Nähe zueinander befinden, das Gate-Ansteuersignal darf keine Über- und Unterschwinger (Ringing) zeigen und das Gate-Signal muss in Relation zur Frequenz sehr kurze Anstiegs- und Abfallzeiten haben. Werden diese Punkte berücksichtigt, können mit dieser Halbleitertechnologie Schaltungen mit hoher Effizienz, d. h. mit sehr kleinen Schaltverlusten realisiert werden. Als Resultat muss jedoch bei SiC-Schaltstufen mit einem typischen du/dt von > 80 V/ns gerechnet werden. Bei GaN werden Werte von > 150 V/ns erreicht!

Unterstützung vom Bauteilehersteller

Würth Elektronik hilft Kunden bei der Entwicklung von Schaltungen in SiC- und GaN-Technologie. Man muss sich beim Schaltungsdesign und beim Layout Gedanken über Signalintegrität und EMV machen. Würth Elektronik berät hierzu und bietet natürlich auch die Komponenten an, die dieser Technologie gerecht werden:

WE-MPSB EMI Multilayer Power Suppression Bead

WCAP-PTHR Aluminium-Polymer-Kondensatoren

WCAP-CSMH MLCCs

WE-AGDT