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22 www.elektronik-industrie.de elektronik industrie 01/2014 Stromversorgungen A uf Wide-Band-Gap-Halbleiter wie Galliumnitrid oder Si- liziumkarbid hat die Leistungselektronik wegen ihrer Vorteile schon lange gewartet. Diese sind verglichen mit Si-Bauteilen unter anderem ein geringerer R DS (on) , verrin- gerte Leckströme und reduzierte Schaltverluste. Wo ergeben sich nun die Vor- und Nachteile der beiden Wide-Band-Gap-Lager? SiC dominiert noch bis 1200 V und darüber sowie durch seine guten Schalteigenschaſten bei hohen Frequenzen. Der Preis ist aber immer noch ein Hindernis. Der Umsatz mit SiC-Modulen überholt trotzdem in überschau- barem Zeitraum den der Diskreten. SiC-Bauelemente werden sich, zumindestens in Nischen, in di- versen Hochspannungsindustrieapplikationen etablieren. GaN-Leistungshalbleiter dagegen: werden bei Spannungen bis 900 V dominieren. Ihre Preise werden in 2019 das Si-Niveau erreicht haben, alle 600 V SiC-Schottky werden dann durch GaN ersetzt. Außerdem wird sich GaN in Consumer- und Computing/Ser- ver-Powerconversion-Applikationen etablieren. Kleinere Schaltnetzteile in Ladegeräten oder PFC-Stufen im un- Aufholjagd der GaN-Leistungshalbleiter 650-V-Typen erschließen neue Applikationen Seit Mitte der 2000er Jahre wird diskutiert, welche der Wide-Gap-Technologien die Nase vorne hat: SiC oder GaN? Gegen Ende der Dekade stellte sich heraus, dass SiC näher an den Vorteilen des funktionalen Einsatzes ist. Jetzt zeigt sich aber, dass GaN im Spannungsbereich von 650 V und bald bis 1200 V eine Alternative zu SiC sein wird. Autor: Wolfgang Knitterscheidt tersten Leistungsbereich kommen hier in Frage, Sonderlösungen in Kleinumrichtern (kleiner 2 kW) sind auf Messen schon zu se- hen. Auf GaN-Bauelementen basierende Umrichter im Bereich hun- derter kW wird man in den nächsten Jahren nicht zu sehen be- kommen, Umrichter dieser Größenordnung auf Basis von SiC sind aber bereits in der Erprobung. Die Marktentwicklung der konkurrierenden Technologien zeigt Bild 1. Bild 2 zeigt die technologischen Grenzen für die konkurrie- renden Halbleitertechnologien. Laut dem UVAC-Technologie Journal 63 vom Mai 2013 wird der Markt für GaN-Bauelemente in Japan 500 Milliarden Yen (3,5 Milliarden Euro) beziehungsweise weltweit zwei Billionen Yen (14,2 Milliarden Euro) erreichen. Und laut der R&D Association for Future Electron Devices kann durch den Ersatz von konventionellen Si-Leistungshalbleitern durch die SiC- und GaN-Halbleiter der nächsten Generation die CO 2 -Emis- sion um 70 % bis 90 % reduziert werden. GaN – vom HF-Einsatz zur Leistungselektronik RFMD kündigt jetzt die Verfügbarkeit von zwei 650 V SSFETs Applikationsgebiete von SiC- und GaN-Leistungs- halbleitern. Bild: ULVAC

halbleitern. Aufholjagd der GaN-Leistungshalbleitereurocomp.de/wp-content/pdf/rfmd/press/Eurocomp506jj.pdf · ver-Powerconversion-Applikationen etablieren. Kleinere Schaltnetzteile

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22 www.elektronik-industrie.deelektronik industrie 01/2014

Stromversorgungen

Auf Wide-Band-Gap-Halbleiter wie Galliumnitrid oder Si-liziumkarbid hat die Leistungselektronik wegen ihrer Vorteile schon lange gewartet. Diese sind verglichen mit Si-Bauteilen unter anderem ein geringerer RDS (on), verrin-

gerte Leckströme und reduzierte Schaltverluste. Wo ergeben sich nun die Vor- und Nachteile der beiden Wide-Band-Gap-Lager? SiC dominiert noch bis 1200 V und darüber sowie durch seine

guten Schalteigenschaften bei hohen Frequenzen. Der Preis ist aber immer noch ein Hindernis.

Der Umsatz mit SiC-Modulen überholt trotzdem in überschau-barem Zeitraum den der Diskreten.

SiC-Bauelemente werden sich, zumindestens in Nischen, in di-versen Hochspannungsindustrieapplikationen etablieren.

GaN-Leistungshalbleiter dagegen: werden bei Spannungen bis 900 V dominieren. Ihre Preise werden in 2019 das Si-Niveau erreicht haben, alle

600 V SiC-Schottky werden dann durch GaN ersetzt. Außerdem wird sich GaN in Consumer- und Computing/Ser-

ver-Powerconversion-Applikationen etablieren.Kleinere Schaltnetzteile in Ladegeräten oder PFC-Stufen im un-

Aufholjagd der GaN-Leistungshalbleiter650-V-Typen erschließen neue Applikationen

Seit Mitte der 2000er Jahre wird diskutiert, welche der Wide-Gap-Technologien die Nase vorne hat: SiC oder GaN? Gegen Ende der Dekade stellte sich heraus, dass SiC näher an den Vorteilen des funktionalen Einsatzes ist. Jetzt zeigt sich aber, dass GaN im Spannungsbereich von 650 V und bald bis 1200 V eine Alternative zu SiC sein wird. Autor: Wolfgang Knitterscheidt

tersten Leistungsbereich kommen hier in Frage, Sonderlösungen in Kleinumrichtern (kleiner 2 kW) sind auf Messen schon zu se-hen.

Auf GaN-Bauelementen basierende Umrichter im Bereich hun-derter kW wird man in den nächsten Jahren nicht zu sehen be-kommen, Umrichter dieser Größenordnung auf Basis von SiC sind aber bereits in der Erprobung.

Die Marktentwicklung der konkurrierenden Technologien zeigt Bild 1. Bild 2 zeigt die technologischen Grenzen für die konkurrie-renden Halbleitertechnologien. Laut dem UVAC-Technologie Journal 63 vom Mai 2013 wird der Markt für GaN-Bauelemente in Japan 500 Milliarden Yen (3,5 Milliarden Euro) beziehungsweise weltweit zwei Billionen Yen (14,2 Milliarden Euro) erreichen. Und laut der R&D Association for Future Electron Devices kann durch den Ersatz von konventionellen Si-Leistungshalbleitern durch die SiC- und GaN-Halbleiter der nächsten Generation die CO2-Emis-sion um 70 % bis 90 % reduziert werden.

GaN – vom HF-Einsatz zur LeistungselektronikRFMD kündigt jetzt die Verfügbarkeit von zwei 650 V SSFETs

Applikationsgebiete von SiC- und GaN-Leistungs-halbleitern.

Bild

: ULV

AC

Stromversorgungen

Programmierbare Elektronische DC-LastenProgrammierbare Elektronische DC-Lasten mit Netzrückspeisung

• Leistungen 400W bis 10,5kW, Systeme bis 105kW• Spannungen 0...80V bis 1500V DC• Ströme 0...25A bis 600A, Systeme bis 5100A• μ-Prozessor gesteuert, FPGA gesteuert (ELR)• Betriebsmodi CC+CV+CP+CR• Alle Werte im Display, intuitives Touchpanel-Menue• Für automatische Prüfsysteme, Burn-In Einrichtungen• Luft- oder wassergekühlt• Für Photovoltaik (PV) Arrays bis 1500V• Für Lithium (E-Vehicle), Ultracap, Brennstoffzellenentladung• Dynamische Testfunktionen, Funktionsgenerator• Kombinierte Quellen- und Lastschränke• Tischversion, 19“-Einschub und 19“ Schranksysteme 42HE • Schnittstellen: Analog, CAN, GPIB, Ethernet, RS232, USB• Bedienersoftware

Programmierbare Labor- und Hochleistungsnetzgeräte

• Leistungen 640W bis 150kW• Spannungen 0...32V bis 1500V DC• Ströme 0...10A bis 5100A• μ-Prozessor gesteuert• Für Photovoltaik und E-Vehicle Anwendungen• PV Array Simulation (Für MPPT Test, run-in Test)• Li- Batterieladung, Li-Batteriesimulation• Flexible Ausgangsstufe• Speicherbare Gerätekonfiguration• Integrierte Sequenz-Funktion• Innenwiderstandsregelung optional• Kombinierte Quellen- und Lastschränke• Tischversion, 19“-Einschub und 19“ Schranksysteme 42HE• Schnittstellen: Analog, CAN, GPIB, Ethernet, RS232, USB• Bedienersoftware

ELR9000

AC

DC Verbrauchz. B. 3kW

Prüfling, z. B.Labornetzgerät

DC

Rückgewinnung95% = 2,85kW

AC

AC

Rückspeiseprinzip

[email protected] www.elektroautomatik.deEA Elektro-Automatik GmbH & Co. KG Helmholtzstr. 31- 33 D-41747 Viersen Tel: +49 (0) 21 62 / 37 85 -0 Fax: +49 (0) 21 62 / 1 62 30

Das komplette Stromversorgungsprogramm

(Sourced Switched FETs) in seiner rGaN-HV-Technolgie an, die im Mai 2012 erstmals publiziert wurde. RFMD befasst sich seit 1995 mit der GaN-Technologie für den Hochfrequenzeinsatz und begann ab dem Jahr 2010 die GaN-Technologie für Leistungsappli-kationen zu entwickeln. RFMD ist der größte III-V-Hersteller für HF-Anwendungen und fertigt mehr als 25 % der weltweiten GaAs-Wafer für HF-Applikationen und dies mit einer Effizienz/Ausbeu-te, die mit Si-Wafern vergleichbar ist.

Die Merkmale der rGaN-HV-Technologie sind eine Betriebs-spannung von 650 V, eine Durchbruchspannung von mindestens 899 V, ein On-Widerstand (Ron) von 6 Ω x mm und eine Leakage von 1 µA/mm. Die angezielten Qualitätsdaten bei 650 V sind Ea > 1,5 eV und eine MTTF > 1 x 107 Stunden bei Tch= 175 °C.

Die in der rGaN-HV-Technologie gefertigten Leistungshalblei-ter sind grundsätzlich laterale GaN-HEMTs. Der Sourced Swit-ched FET (SSFET) ist ein Kaskade-Bauteil bestehend aus dem rGaN-HV High Voltage GaN lateralem HEMT mit einem zuge-schnittenen low voltage Trench-MOSFET in einem TO-247-Ge-häuse mit isolierter Basisplatte. Das so entstandene Bauteil hat ein isoliertes Gate und lässt sich von standardmäßigen Gatetreiber-schaltungen oder GDICs (Gate Driver ICs) ansteuern. Die SSFETs können in bestehenden Applikationen TO-247 Superjunction

MOSFETs ersetzen, bieten aber eine höhere Effizienz.

Ein weiterer großer Vorteil der SSFET ist die integrierte ultraschnelle Freilaufdioden-funktion, die eine externe separate SiC-Schottkydiode überflüssig macht. Kein an-derer Anbieter bietet diesen Vorteil zusam-men mit einem sehr niedrigen RDS (On) von 45 mΩ bei 650 V Durchbruchspannung.

Denkbare Applikationen für 600 bis 650 V sind Stromversorgungen für IT und Tele-kom, der Ersatz von SJFETs mit einer zehn-mal besseren Figure-of-Merit, Leistungs-plattformen mit Frequenzen bis 500 kHz, PFC- und DC/DC-Applikationen mit Wir-

kungsgraden bis 95 oder gar 98 %. Außerdem hat die Technologie das Potenzial Dioden und Mehrfachschalter zu integrieren. Die Anwendungen, die RFMD mit einer künftigen 900- bis 1200-V-Technologie im Auge hat, sind Solarinverter und USVs, der Ersatz von IGBTs bei gleichzeitig verbesserter Effizienz, Leistungsplatt-formen bis 50 oder gar 100 kHz. Außerdem will die Firma die GaN-Teile günstiger als vergleichbare SiC-Bauteile anbieten. Da die beiden Typen normalerweise abgeschaltete (normally-off) SS-FETs sind, genügen sie auch den Sicherheitsanforderungen der Leistungselektronik.

GaN im Bereich bis 650 V – eine Alternative zu SiCRFMD hat die Verfügbarkeit von zwei 650 V SSFETs (Sourced Swit-ched FETs) in seiner rGaN-HV-Technolgie angekündigt. Mit dem RFJS300F steht ein Evaluations-Board für den Aufbau eines 2,4 kW Boost-Wandlers bereit, welches den Entwicklern den Einstieg in die GaN-Technologie erleichtert.

infoDIREKT www.all-electronics.de 506ei0114

Auf einen Blick

Bild 1: Marktentwicklung der konkurrierenden Halbleitertechnologien.

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24 www.elektronik-industrie.deelektronik industrie 01/2014

Stromversorgungen

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: RFM

D

Der Autor: Wolfgang Knitterscheidt ist Geschäftsführer der Eurocomp Elektronik GmbH in Bad Nauheim.

Erste aktuelle GaN-SSFETsIm isolierten TO-247 präsentiert sich der RFJS300F, ein schneller 650 V SSFET (Source Switched FET) mit integrierter ultra-schnel-len Freilaufdiode, die eine Sperrerholzeit TRR von 12 ns aufweist und einer Sperrladung QRR von 40 nC. Der normally-off insulated Gate SSFET, von dem es erste Muster gibt, ist ausgelegt für 30 A (ID bei 25 °C) und bietet einen RDS (On) von 45 mΩ. Die Schaltverluste sind mit 20 µJ/30 µJ (Eon/Eoff) sehr gering.

Der RFJS1506Q im kleinen 8 mm x 8 mm HV PQFN ist eine sehr schnelle Version und für 15 A ausgelegt, verfügt ebenfalls über eine sehr schnelle interne Freilaufdiode (TRR 9 ns, QRR 21 nC).

Weitere Daten sind eine geringe Ausgangskapazität und eine ge-ringe Induktivität, außerdem werden die für den Hochspannungs-einsatz erforderlichen Kriechstrecken eingehalten. Beide Bauteile, deren Innenschaltung Bild 3 zeigt, bieten durch ihr isoliertes Gate die Vorteile und den einfachen Einsatz wie man ihn vom Power-MOSFET oder IGBT kennt, aber das mit höherer Effizienz und bei höheren PWM-Frequenzen. Die SSFETs verwendet die Bidirektio-nalität eines GaN-HEMTs für die Bildung einer ultra-schnelle Freilaufdiodenfunktion. Eine separate Antiparalleldiode ist so nicht erforderlich.

2,4 kW Boost Converter EvaluationboardRFMD bietet für den RFJS300F ein Evaluationboard für den Auf-bau eines 2,4 kW Boost-Wandlers an. Es erleichtert den Entwick-lern den Einstieg in die GaN-Technologie. Das Evaluationboard RFJS3006FDK1 in Boost-(step-up)-Topologie wird im nichtlü-ckenden Continuous Conduction (CCM) Mode betrieben und eignet sich dazu, die Ein- und Ausschaltcharakteristiken des RFJS3006F sowie seine Verluste und den Wirkungsgrad zu evalu-ieren.

Das Board enthält den RFJS3006F zusammen mit einem Treiber und einer SiC-Schottkydiode sowie einer Spule (Bild 4). Seine Spe-zifikationen sind: Maximale Ausgangsleistung 2400 W, Eingangs-spannung 180 VDC bis 240 VDC, geregelte Ausgangsspannung 386 V und Schaltfrequenz 133 kHz. Das Board ist bei der Eurocomp Elektronik GmbH für 865 € (Netto) erhältlich.

SchlussbemerkungDer Einsatz von SiC-Leistungshalbleitern ist in Schaltapplikatio-nen mit sehr hohen Spannungen vorteilhaft, die Verwendung von GaN ist dagegen dort sinnvoll, wo es auf eine hohe Gesamteffizienz ankommt.

SiC-Substrate sind einige Dutzend Mal teurer als Si-Substrate, GaN dagegen macht nur ein Zwanzigstel der SiC-Kosten aus bei Verwendung von Si-Substraten und ein Viertel der Kosten von SiC auf Safirsubstrat. Die Massenproduktion und weitere Kostenredu-zierungen sind essenziell für den Breiteneinsatz von GaN-Leis-tungshalbleitern, welche zusätzlich erheblich sind wenn unmodifi-zierte Si-Substrate verwenden werden.

Da GaN der vielversprechende Leistungshalbleiter der nächsten Generation ist, gibt es von vielen Ländern Anstrengungen das Mo-nopol der Japaner auf diesem Gebiet zu brechen. Zum Beispiel hat Imec in Europa sein GaN-on-Si Research Program für die Herstel-lung von 8 Zoll GaN/Si-Wafern neu organisiert und gleichzeitig gibt es gemeinsame Entwicklungsprojekte mit überseeischen Her-stellern. (jj) n

Bild 2: Technologische Grenzen für die konkurrierenden Halbleiter- technologien.

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Bild 4: Das Evaluationboard RFJS3006FDK1 in Boost-Topologie eignet sich für die Evaluierung verschiedener Parameter des RFJS3006F in einer 2,4 kW Wandlerapplikation.

Bild 3: Schaltbild der SSFETs RFJS3006F und RFJS1506Q.

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