Vergleich zwischen diskreten und integrierten GaN-Lösungen

Dr. Shuilin Tian und Dr. Denis Marcon, Innoscience

Die Welt der Leistungselektronik nutzt die Vorteile von Galliumnitrid (GaN) voll aus. Die Aktivitäten in den Medien, Messen und Fachkonferenzen wurden von Debatten über die höhere Effizienz und den höheren Verbrauch dominiert, die durch den Übergang von Silizium-MOSFETs zu GaN-Lösungen erreicht werden können. Die Erwartungen variieren je nach Analyst, aber fast alle sagen bis 24 ein durchschnittliches jährliches Wachstum von mindestens 2027 % voraus, obwohl einige Schätzungen viel optimistischer sind, insbesondere in bestimmten wichtigen Marktsegmenten, die so unterschiedlich sind wie Industrie, Verbraucher, Telekommunikation und andere Automobil. Das wissen wir. Neben der weit verbreiteten Verfügbarkeit diskreter GaN-HEMT-Geräte sehen wir jedoch das Aufkommen integrierter GaN-Lösungen führender GaN-Hersteller, die die intrinsischen Vorteile von GaN nutzen und das Potenzial haben, eine noch höhere Leistung zu erzielen.

Zunächst ist hervorzuheben, dass die integrierte Lösung kein Allheilmittel ist. Je nachdem, wie das Schaltungsdesign aufgeteilt ist, kann die Verwendung eines hocheffizienten GaN-Schalters vom diskreten Typ vorzuziehen sein. Dies gilt insbesondere dann, wenn ein bestimmter Treiber benötigt wird, der Treiber bereits im Controller integriert ist oder für Leistungsstufen über etwa 1 kW, da einige integrierte Lösungen nicht parallel geschaltet werden können. Für solche und andere Anwendungen, die maximale Designflexibilität erfordern, bieten Hersteller wie Innoscience eine große Auswahl an diskreten Geräten zwischen 30 V und 700 V mit verschiedenen Leitungswiderständen an.

In vielen anderen Fällen kann eine integrierte Lösung (z. B. Treiber + HEMT oder Halbbrücke + GaN-Treiber) das Designvolumen reduzieren, höhere Leistungsniveaus bieten und die Anzahl der Komponenten reduzieren (kürzere Stückliste). Nehmen wir als Beispiel den ISG3201, ein 100-V-Produkt aus der SolidGaN-Familie von Innoscience, bestehend aus zwei GaN-Bausteinen im 100-V-2,3-mΩ-Anreicherungsmodus und einem 100-V-Halbbrücken-Gate-Treiber. Dieses Gerät wird in einem 30-Pin-LGA-Gehäuse mit den Maßen nur 5 x 6,5 x 1,12 mm geliefert und ist für Hochfrequenz-Abwärtswandler, Halbbrücken- oder Vollbrückenwandler, Audioverstärker der Klasse A, D-, LLC-Wandler und Leistungsmodule in Anwendungen vorgesehen wie Motorsteuerungen, KI, Server, Telekommunikation und Supercomputer. Abbildung 1 zeigt ein vereinfachtes Schema des Geräts.

Abbildung 1.

Ein Vergleich zwischen der auf fortschrittlichen Silizium-MOSFETs basierenden Halbbrückenschaltung, den diskreten GaN-Geräten und dem integrierten ISG3201 zeigt, dass die diskrete GaN-Lösung erwartungsgemäß einen um 66 % kleineren Platzbedarf hat, das integrierte SolidGaN-Gerät jedoch noch einmal um 19 % kleiner ist ist, 73 % weniger als die Siliziumschaltung. Abbildung 1 erläutert auch, wie der ISG3201 auch den Bedarf an externen Komponenten minimiert. Der Steuerwiderstand, die Aufnahmestufe und der VCC-Kondensator sind im Paket enthalten, sodass sieben Komponenten (vier Widerstände und drei Kondensatoren) entfallen. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass durch die Integration all dieser Funktionen die Gate-Schleifeninduktivität und die Leistungsschleifeninduktivität typischerweise um etwa 40 % reduziert werden. Durch die Reduzierung parasitärer Elemente werden beispielsweise auch weniger Schwingungen erzeugt und Überspannungen reduziert. Dies erhöht nicht nur die Effizienz und vereinfacht das Design, sondern verbessert auch die Zuverlässigkeit, da die Überspannung auf 4 V minimiert wird, 80 % weniger als bei einigen Mitbewerbern. Außerdem werden weniger Verriegelungskomponenten benötigt.

Das Design vereinfacht auch das Layout der Leistungsstufe. In einigen Konfigurationen liegt der Schaltknoten zwischen V_in y P._GND, wodurch das Gerät einfacher zu bauen ist, aber mehr externe Komponenten erforderlich sind. Das in Abbildung 2 dargestellte Innoscience-Design zeigt, dass sich der Schaltknoten am Rand befindet, sodass nur ein Entkopplungskondensator zwischen V erforderlich ist_in y P._GND, und der Schaltknoten ist mit dem externen Schaltkreis verbunden. Abhängig von der gewählten Topologie in der Leistungsstufe können dadurch viele Komponenten eingespart werden.

Abbildung 2.

Abbildung 3 zeigt die Einfachheit der Schaltungen, die für einen Abwärtswandler (Abbildung 3a), LLC (Abbildung 3b), einen dreiphasigen BLDC (Abbildung 3c) und einen Vollbrücken-Solarwechselrichter (Abbildung 3d) erforderlich sind. Eine diskrete Lösung würde mehr Komponenten erfordern, wie in Abbildung 3a (Buck) und Abbildung 3b (LLC) zu sehen ist.

Abbildung 3a.

Abbildung 3b.

Abbildung 3c und 3d.

Auch für die Fertigung ist die integrierte Bauweise von Vorteil. Der Zusammenbau diskreter Komponenten, die in einem WLCSP-Gehäuse (Wafer Level Chip Scale Package) mit feinem Rasterabstand geliefert werden, ist schwer zu kontrollieren und begrenzt die Menge an Kupfer, die auf der Leiterplatte verwendet werden kann. Obwohl GaN in der Regel weniger Wärme erzeugt als Silizium, weil es effizienter ist, ist es bei höheren Leistungsniveaus wünschenswert und sogar unerlässlich, mehr Kupfer zu verwenden, um die thermische Leistung zu verbessern. Dank der Verwendung integrierter Gehäuse mit einem größeren Pin-Raster können zwei Unzen Kupfer anstelle von einer Unze verwendet werden, was die praktische Grenze für diskrete Komponenten mit feinem Rastermaß darstellt. Dies verringert die Verlustleistung und erhöht die Effizienz, wodurch der Leistungsbereich der GaN-Technologie erweitert wird. Tests haben gezeigt, dass die Effizienz von Halbbrückendesigns, die auf integrierten Geräten wie dem ISG3201 basieren, aufgrund des größeren Kupferanteils auf der Platine um 0,3 % höher ist als bei Lösungen, die auf diskreten GaN-Geräten basieren.

Wenn wir an ein 48/12-V-DC/DC-Wandlermodul denken, das mit 1 MHz läuft, sehen wir, dass diese Effizienzverbesserungen einen erheblichen Unterschied machen. Abbildung 4 zeigt, dass die Effizienz durch die Implementierung eines Designs, das auf der integrierten Halbbrücke des ISG0,7 basiert, anstelle einer diskreten Lösung um 3201 % verbessert werden kann. Die thermischen Diagramme zeigen, dass diese Effizienzsteigerung bei gleichem Temperaturanstieg bedeutet, dass mit derselben Integrationstechnik 18 % mehr Leistung genutzt werden kann.

Abbildung 4.

Anwendung in einer Motorsteuerung

Abbildung 5 zeigt ein Beispiel für eine 500-W-Motorsteuerungsanwendung (1000 W maximale Leistung), beispielsweise eine Elektromobilitätsanwendung. In diesem Design können drei SolidGaN ISG3201-Halbbrücken-ICs sechs 90-V/4-mΩ-Silizium-MOSFETs in TO-220-Gehäusen und drei Halbbrücken-Treiber-ICs sowie eine Handvoll externer Komponenten ersetzen, was zu Platzeinsparungen von nahezu 90 % führt. Ein Referenzdesign und eine Scorecard sind verfügbar.

Abbildung 5.

Die Verwendung von GaN verringert die gesamte harmonische Verzerrung um mindestens eine Größenordnung. Dadurch werden Drehmomentwelligkeit, Überstrom und Wicklungsverluste reduziert. Der Motor läuft ruhiger und erzeugt weniger hörbare Geräusche, was sich positiv auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Motors auswirkt.

Abbildung 6.

Fazit

Wie wir sehen können, bieten integrierte Lösungen zahlreiche Vorteile, einschließlich Größe und Effizienz, obwohl diskrete GaN-Lösungen weiterhin eine größere Designflexibilität erreichen und möglicherweise die einzige verfügbare Option für höhere Leistungen sind, bis ein höheres Niveau erreicht ist. Parallelschaltung integrierter Geräte, etwas das ist geplant. Aber wie auch immer Sie sich entscheiden, GaN, in dem einen oder anderen Format, wird wahrscheinlich die Antwort sein.