Und der festgeschriebene Strategieplan für Energietechnologie der EU, der bis 2020 eine Steigerung des Anteils erneuerbarer Energie auf 20 Prozent vorsieht, setzt in Verbindung mit den dafür benötigten Solarzellen, Windmühlen und Wärmepumpen im Smart Grid auch innovative Lösungsansätze in der Leistungselektronik voraus. An der Spitze der Wunschliste und bereits kurz vor der Umsetzung stehen weitere wesentliche Verbesserungen des Wirkungsgrads von Leistungsbausteinen mithilfe neuer Halbleitermaterialien. Drei Jahrzehnte lang wurde aus den Bausteinen zur Leistungsumwandlung auf Siliziumbasis, vor allem den Power-MOSFETs, immer noch mehr Leistung herausgeholt; mit hohem technischem Aufwand wurden im Laufe der Zeit Verbesserungen um mehr als eine Größenordnung erzielt. Jetzt ist die Silizium-Technologie nahezu ausgereizt; selbst bescheidene Steigerungen des Wirkungsgrads lassen sich nur mit unwirtschaftlich hohem Aufwand erreichen. Den Experten ist längst klar, dass sich die Transistorverlustleistung nur bei Verwendung anderer Materialien weiter senken lässt, wobei vor allem Galliumnitrid (GaN, das bislang vor allem in LEDs Verwendung fand) die Alternative mit den technisch und wirtschaftlich besten Aussichten darstellt.
Neues Material mit viel Potential
Neue Technologien müssen, wenn sie sich im Markt behaupten wollen, vielseitig einsetzbar und bedienerfreundlich sein, und das möglichst zu günstigeren Kosten sowie mit höherer Zuverlässigkeit. GaN-HEMTs (High Electron Mobility Transistor) gewährleisten erhebliche Fortschritte bei der Schaltleistung sowie der Bandbreite; sie halten eine höhere Spannung ohne Beeinträchtigung des Einschaltwiderstands aus. Das führt zu den gewünschten Ergebnissen: einer verlängerten Batterielebensdauer der Geräte, einem geringeren Stromverbrauch, kleineren Abmessungen und zu Kostensenkungen. Das laufende Jahr dürfte wohl als Meilenstein in der Umsetzung der GaN-Technik in die Geschichte eingehen: Auf der APEC Ende Februar in Palm Springs sowie der PCIM 2010 in Nürnberg (4. bis 6. Mai), stellt International Rectifier (IR) den ersten kommerziellen GaN-Leistungstransistor vor. Zwar wurde der GaN-HEMT bereits vor 20 Jahren erfunden, doch erst in den jüngsten Jahren wurden die Forschungen und Umsetzungsbemühungen intensiviert. Mittlerweile weiß man mit Bestimmtheit, dass sich sowohl die Leistung als auch die Verfügbarkeit von GaN-basierten Leistungsbausteinen im Laufe der nächsten 10 bis 20 Jahre noch deutlich verbessern lassen. Mit einer wirtschaftlich machbaren Verbesserung der wichtigen Leistungskennwerte um eine Größenordnung ist bereits in den nächsten fünf Jahren zu rechnen. GaN-Transistoren verhalten sich ähn-lich wie Leistungs-MOSFETs, so dass die Entwickler nicht wesentlich umdenken müssen. Der Unterschied liegt hauptsächlich in einer relativ geringen Durchschlagsfestigkeit des Gates, die sich jedoch im Laufe der Weiterentwicklung verbessern wird, sowie einem verhältnismäßig hohen Frequenzgang. Andererseits vereinfachen andere Charakteristika den Einsatz der GaN-Bausteine; beispielsweise ist die Schwellenspannung über einen weiten Bereich praktisch unabhängig von der Temperatur, und der Einschaltwiderstand weist einen wesentlich niedrigeren Temperaturkoeffizienten auf.
Kostenhürde
Die Produktionskosten stellten die größte Hürde auf dem Weg zur Vermarktung von GaN-basierten Leistungsbausteinen dar. Dazu zählen die Kosten des Substrats (hier hat man es geschafft, das kostspieligere SiC und Saphir durch Silizium zu ersetzen), die Epitaxie, die Bausteinfertigung, das Packaging, der Support und die Entwicklung. Bei der Herstellung sind Substratdurchmesser von mindestens 150 mm erforderlich, um eine weitreichende kommerzielle Durchführbarkeit zu erzielen, und das nur bei einer Verarbeitung in Halbleiterfertigungslinien mit hohen Stückzahlen und hohen (Silizium-kompatiblen) Standards bei der Ausbeute. Die Fertigung muss skalierbar sein, damit zumindest theoretisch das am Markt benötigte Volumen – derzeit entsprechend ungefähr 10 Millionen 150-mm-Wafer pro Jahr – befriedigt werden kann. Aus diesem Grund stellt die Lösung von IR, ihre GaN-Technologieplattform so auszulegen, dass sie mit nur geringen Änderungen von Geräten und Prozessen auf standardmäßigen modernen Sili-zium-CMOS-Fertigungslinien durchgeführt werden kann, den wohl gangbarsten und kostengünstigsten Ansatz dar. Da die GaN-Transistoren in einer fast standardmäßigen Silizium-Foundry hergestellt werden und die Technologie im Vergleich zu Si-MOSFETs ein hohes Potenzial für weitere Verkleinerung der Chips bietet, könnten Kostenvergleiche rasch zugunsten der neuen Technologie ausfallen. Bei der Zuverlässigkeit sind Si-Leistungs-MOSFETs durch langjährige Untersuchungen von Fehlermechanismen und Verfeinerung der Prozesse praktisch ausgereizt, während GaN-on-Si-Transistoren erst am Anfang dieses Lernprozesses stehen. Um das Potenzial der GaN-basierten Leistungsbausteine auszuschöpfen, müssen unbedingt begleitende Technologien entwickelt werden, wie beispielsweise High-Speed-Treiber, PWM-Controller, die mit geringem Tastverhältnis arbeiten können, sowie Gehäuse mit niedrigen parasitären Effekten. Zum Beispiel machen es die Übergangszeiten (und die Totzeit) in der Größenordnung von 1 ns erforderlich, eine intelligente und schnelle Totzeitregelung für die Treiber zur Verfügung zu stellen, damit die durch den GaN-Leistungsbaustein möglich gemachte optimale Leistung erreicht werden kann. Die ersten Produkte in IRs GaNpowIR-Familie werden DC/DC-Leistungsstufenmodule mit niedriger Arbeitsspannung (30 V) sein. Zwar liegt der entscheidende Vorteil von GaN-basierten Niedervolt-HEMTs weniger im spezifischen Einschaltwiderstand; bei Niederspannungsanwendungen spielt der Gütefaktor (R(on)*Qg) die entscheidende Rolle. Hier sollen die GaN-HEMTs in den kommenden fünf Jahren voraussichtlich eine Verbesserung um mehr als eine Größenordnung gegenüber modernen Siliziumbausteinen erzielen – weniger als 4 mΩ*nC bei GaN gegenüber ungefähr 45 mΩ*nC bei Silizium. Das erste für die Produktion freigegebene Produkt in der IR GaNpowIR-Technologieplattform ist eine 12-V-Buck-Schaltregler-Leistungsstufe für 30 A. Sie enthält die Ansteuerung sowie die Synchrongleichrichterschalter zusammen mit dem intelligenten Gatetreiber in einem LGA-Gehäuse mit geringen parasitären Kapazitäten. GaN-basierte Leistungsbausteine bieten einen um mehr als 3 Prozent verbesserten Umwandlungswirkungsgrad gegenüber Silizium-FETs. Darüber hinaus ermöglicht eine GaN-basierte Leistungslösung dadurch, dass sie diesen hohen Wirkungsgrad bei 600 kHz erreicht, die ausschließliche Verwendung von Keramikkondensatoren im Leistungswandler, was die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems steigert.
Kleinere Bausteine, höhere Wirkung
Weitergehende Verbesserungen in GaN-basierten Leistungsbausteinen nie-driger Spannung werden zu einstufigen 5-MHz-Leistungswandlerbausteinen mit einem Wirkungsgrad zwischen 85 und 90 Prozent führen, wodurch ein Großteil der Forderungen nach ausgangsseitigen Filterkomponenten entfällt, die Kosten wesentlich gesenkt und die Wandlerabmessungen um mehr als einen Faktor zehn verringert werden. Möglicherweise noch wichtiger ist, dass die Wandlerstufe infolge des Betriebs bei höherer Frequenz in unmittelbarer Nähe der elektronischen Last montiert werden kann. Dadurch wird ein beträchtlicher Teil der parasitären Leistungsverluste im Ausgangsfilter und in Leiterplatte/Gehäuse vermieden. Die Verbesserung der Leistungswandlungsdichte, des Wirkungsgrads und der Kosten verkörpert den wahren Wert der Entwicklung für Niederspannungsanwendungen. Wie bei jedem technischen Fortschritt gilt auch hier: Der Silizium-basierte Power-MOSFET ist alles andere als tot. Allerdings hat er sein Reifestadium erreicht, weitere Verbesserungen größeren Umfangs sind kaum zu erwarten. Dagegen befindet sich GaN erst am Anfang einer mindestens zehnjährigen Kurve der ständigen Weiterentwicklung, die sich immer stärker positiv auf Leistung und Kosten des Power-Managementsauswirken wird.
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