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GaN & SiC Halbleiterlösungen für maximale Effizienz
Management Summary
GaN & SiC Halbleiter– Mehr Leistung & Effizienz jenseits von Silizium
Erhalten Sie einen kompakten Überblick – die detaillierten technischen Einblicke und Analysen finden Sie im weiteren Verlauf des Artikels.
Dank ihrer sehr hohen Elektronenbeweglichkeit ermöglichen GaN-FETs laterale Bauelementstrukturen, wodurch intrinsische Kapazitäten reduziert und Sperrerholungsverluste eliminiert werden. Sie sind für Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen optimiert.
SiC-FETs bieten eine höhere thermische Leitfähigkeit als Silizium und profitieren von einem ausgereiften Fertigungsprozess für Hochspannungsanwendungen. Sie sind für Hochleistungs- und Hochspannungssysteme ausgelegt.
Hauptvorteile von GaN und SiC gegenüber Silizium:
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Höhere Ausgangsleistung
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Verbesserte Effizienz
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Geringere Kühlungsanforderungen
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Kompaktere Bauformen
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Höhere Zuverlässigkeit unter extremen Bedingungen
Herausforderungen:
- Begrenzte Second-Source-Verfügbarkeit
- Höhere Bauteilkosten (in einigen Leistungsbereichen minimal; vereinfachte Architekturen möglich)
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GaN-spezifische Besonderheiten:
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Begrenzte Verfügbarkeit von Treiberbausteinen und DC/DC-Controllern
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Weniger Lösungen für Niederspannungsanwendungen
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Erhöhte Anforderungen an Treiber und PCB-Layout
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Auswirkungen und Vorteile von GaN
Auswirkungen und Vorteile von SiC
Insight in brief
Breitband-Halbleitermaterialien wie GaN (Galliumnitrid) und SiC (Siliziumkarbid) bieten im Vergleich zu Si (Silizium) deutliche Vorteile in den Materialeigenschaften. GaN-FETs sind für Leistungs- und Hochfrequenzanwendungen optimiert, während SiC-FETs hauptsächlich in Leistungs- und Hochspannungsanwendungen eingesetzt werden.
Themen des Artikels:
- Technische Eigenschaften von Breitband-Halbleitermaterialien
- Laterale Architektur von GaN-FETs
- Praxisvergleich: GaN vs. Silizium
- Markttrends
Einführung
Dekarbonisierungspolitiken zusammen mit zunehmendem gesellschaftlichem Druck treiben die Industrie zu hohen Investitionen in effizientere Energieumwandlung und beschleunigte Elektrifizierung. Dieser Trend hat in den letzten Jahren die Entwicklung von GaN- (Galliumnitrid) und SiC- (Siliziumkarbid) Technologien deutlich vorangetrieben. Breitband-Halbleiter (Wide Band-Gap, WBG) – wie GaN und SiC – ermöglichen Leistungs- und Effizienzwerte, die konventionelle Silizium- (Si) Bauelemente nicht mehr erreichen können.
Definition von Breitband-Halbleitermaterialien (Wide Band-Gap, WBG)
Die Bandlücke ist die Energie, die ein Elektron benötigt, um vom Valenzband in das Leitungsband zu wechseln. Ist diese Lücke groß (größer als 2 eV), spricht man von einem Breitband-Halbleitermaterial.
Silizium hat eine Bandlücke von 1,1 eV. Moderne Breitband-Halbleitermaterialien besitzen zwei- bis dreimal diesen Wert. GaN (3,4 eV) und SiC (3,2 eV) gehören zu den wichtigsten Materialien in der Elektronik.
Eine grosse Bandlücke bedeutet:
- Höhere Spannungsfestigkeit
→ Eine grössere Bandlücke ermöglicht es einem Material, stärkere elektrische Felder zu verkraften, bevor es zusammenbricht - Geringere Leckströme
→ WBG-Materialien bleiben bei hohen Temperaturen stabil und zeigen keinen nennenswerten Leckstrom - Schnelleres Schalten
→ Besonders GaN kann seinen Leitungszustand extrem schnell ändern – ideal für Hochfrequenzanwendungen
GaN weist im Vergleich zu SiC und Si eine höhere Elektronenbeweglichkeit und Sättigungsgeschwindigkeit auf.
Die Elektronenbeweglichkeit beschreibt, wie schnell sich Elektronen durch den Halbleiter bewegen können. Ein Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) ermöglicht schnelleres Schalten und reduziert Schaltverluste. Eine hohe Elektronenbeweglichkeit trägt außerdem dazu bei, RDS(on) zu senken, zusammen mit weiteren Konstruktionsfaktoren.
Die Sättigungsgeschwindigkeit ist der Punkt, an dem eine Erhöhung des elektrischen Feldes die Elektronenbewegung nicht weiter beschleunigt.
Bei GaN-Bauelementen nimmt die Gate-Elektrode nur sehr wenig Chipfläche ein, wodurch die parasitäre Kapazität sehr niedrig bleibt. Dank dieser Eigenschaften ermöglichen GaN-Halbleiter sehr hohe Schaltfrequenzen.
"GaN ist ein Halbleitermaterial mit ausgezeichneten Eigenschaften für Leistungs- und Hochfrequenzanwendungen."
SiC besitzt eine deutlich höhere thermische Leitfähigkeit im Vergleich zu GaN und Silizium, was es besonders geeignet für Hochspannungsanwendungen wie Elektrofahrzeuge, Rechenzentren, Solarenergie und Bahnsysteme macht. Diese Anwendungen erfordern nicht unbedingt sehr hohe Schaltfrequenzen, sind jedoch auf hohe Schaltspannungen angewiesen.
SiC-FETs sind bereits länger auf dem Markt verfügbar und verfügen über eine ausgereiftere Fertigungstechnologie für Hochspannungsanwendungen.
"SiC ist ein Halbleitermaterial mit ausgezeichneten Eigenschaften für Leistungs- und Hochspannungsanwendungen."
GaN- Halbleiterstruktur
Laterale Struktur von GaN FETs
Im Gegensatz zu Si- und SiC-FETs besitzen die meisten GaN-FETs eine laterale Struktur, bei der Source, Drain und Gate alle auf derselben Oberflächenebene liegen.
Die hohe Elektronenbeweglichkeit, die hohe Sättigungsgeschwindigkeit und die hohe Durchbruchfeldstärke von GaN ermöglichen ein sehr kompaktes laterales Design. Diese Struktur führt zu einer kleinen Gate-Fläche, kurzen Stromschleifen und reduzierten parasitären Effekten (R/L/C), was das EMV-Verhalten und die Schaltgeschwindigkeit verbessert.
Aufgrund der lateralen Struktur verfügt ein GaN-FET über keine herkömmliche Body-Diode und hat somit keinen Sperrerholstrom. Dies reduziert die Sperrerholungsverluste beim schnellen Schalten erheblich, insbesondere im Halbbrückenbetrieb.
Design-Herausforderungen
Auf der negativen Seite bringt die kompakte Struktur auch Herausforderungen mit sich. Im Vergleich zu Si-FETs sind GaN-FET-Gates deutlich empfindlicher gegenüber Störungen, Gate-Ringing/Bouncing und hohen dV/dt-Anwendungen. Die maximale VGS ist oft auf etwa ±6 V begrenzt, und die VGS(th) liegt typischerweise zwischen 1 V und 2 V.
Die Totzeit (der Zeitraum, in dem beide FETs einer Halbbrücke ausgeschaltet sind) muss minimiert werden, um hohe Rückwärtsleitverluste zu vermeiden. Während der Totzeit fließt Strom in entgegengesetzter Richtung durch die zweidimensionale Elektronengasschicht (2DEG) des unteren FETs. Dies ist aufgrund der symmetrischen Source-/Drain-Struktur relativ zum Gate möglich, sobald die Bedingung VGD = VGS + VSD > VGS(th) erfüllt ist. In dieser Phase ist VSD höher als die Vorwärtsspannung einer Body-Diode, sodass der Leistungsverlust größer ist als bei einem Si-FET.
Sehr schnelles Schalten ist dank der niedrigen parasitären Kapazitäten (CGS und CGD) der GaN-FETs möglich. Die Totzeit kann jedoch nicht auf null reduziert werden, da dies einen FET-Durchschlag verursachen könnte. Die Herausforderung besteht darin, die optimale Totzeit im Schaltkreis zu bestimmen.
Treiber- und PCB-Anforderungen
Die Anforderungen an den FET-Treiber und das PCB-Layout sind aufgrund der beschriebenen Effekte deutlich höher als bei Designs mit Si- oder SiC-FETs. Besonderes Augenmerk muss auf die Minimierung der Gate- und Stromschleifenlängen gelegt werden, da parasitäre Induktivitäten bei schnellen Schaltvorgängen einen größeren Einfluss haben und zu höheren Verlusten führen können.
Substrattechnologie und Markteinführung
Ein weiteres Schlüsselelement im Design ist das Substratmaterial, das für das epitaktische Wachstum der GaN-Schicht verwendet wird. Die Technologie entwickelte sich von GaN-on-Sapphire (für LEDs) über GaN-on-GaN (teuer und schwer herzustellen) zu GaN-on-SiC (für RF- und Radar-Anwendungen) und schließlich zu GaN-on-Si. GaN-on-Si wurde letztlich zum Durchbruch für GaN-Elektronik im Massenmarkt, da es die hohe Leistung von GaN mit der kosteneffizienten Fertigung von Silizium kombiniert.
Die GaN-on-Si-Technologie erreichte zwischen 2013 und 2017 Reife, mit einem kommerziellen Durchbruch etwa 2018, als sie in Ladegeräten, Netzteilen und Elektrofahrzeugen eingesetzt wurde.
Hands-On test: GaN vs Si
Für den Leistungsvergleich wurden die beiden Evaluierungskits EVAL-LTC7890-AZ und EVAL-LTC7890-BZ von Analog Devices verwendet.
Operating Condition
GaN FETs: EPC 2218
VIN: 48 V | OUT1: 5V, 10 A | OUT2: 12 V, 10 A | fsw: 500kHz
Operating Condition
Si FETs: Infineon BSC146N10LS5 und BSC070N10LS5
VIN: 48 V | OUT1: 5V, 10 A | OUT2: 12 V, 10 A | fsw: 500kHz
Durch den Einsatz von GaN-FETs können Leistungsverluste deutlich reduziert werden, und es besteht erneut Flexibilität in Bezug auf Ausgangsstrom, Eingangsspannung oder Formfaktor. Tests bestätigten, dass bei Verwendung von GaN-FETs die folgenden Parameter angepasst werden können, um ungefähr die gleiche thermische Belastung wie bei Si-FETs zu erreichen:
- Der Ausgangsstrom kann um den Faktor 1,5 bis 1,7 erhöht werden.
Dies ermöglicht beispielsweise, einen Zweiphasen-Buck-Converter durch einen Einphasen-Buck-Converter zu ersetzen.
- Die Eingangsspannung kann um den Faktor 2 bis 2,3 erhöht werden.
Dies ermöglicht beispielsweise, zwei hintereinander geschaltete Buck-Converter durch eine einzelne Stufe zu ersetzen.
- Die Schaltfrequenz kann um den Faktor 2,5 bis 3 erhöht werden.
Dies ermöglicht beispielsweise eine deutliche Verringerung des Formfaktors eines Schaltreglers.
Der Aufstieg von GaN und SiC in der Leistungselektronik
Die Fertigungsprozesse für Leistungs-FETs auf Basis von Breitband-Halbleitermaterialien wie GaN und SiC wurden optimiert, und eine Serienproduktion in großen Stückzahlen ist etabliert. Infolgedessen ersetzen GaN- und SiC-FETs zunehmend herkömmliche Silizium-Leistungs-FETs und IGBTs. Marktanalysen bestätigen, dass sich dieser Trend fortsetzen wird, wobei der Anteil von GaN- und SiC-Bauelementen in den kommenden Jahren stetig zunimmt.
Eine weitere Optimierung der ausgereiften Silizium-FET-Technologie erfordert für Hersteller erhebliche finanzielle Investitionen. Im Gegensatz dazu ist die GaN-Technologie noch relativ jung und bietet sowohl für technische Verbesserungen als auch für Kostensenkungen erhebliches Potenzial.
"In den kommenden Jahren wird erwartet, dass sich die GaN-Technologie rasant weiterentwickelt und den Weg für neue Architekturkonzepte sowie innovative Designansätze ebnet…"
Quellen
Bilder
- *1: IMT AG
- *2: IMT AG
- *3:Analog Devices Webinar “Unleash the Benefits of GaN Technology with Advanced GaN Controllers and Gate Drivers” | Tag: Power Device Competitive Zone
- *4 Tag: Band gap diagram of metal, semiconductor and insulator
- *5 Source: ST Microelectronics – Application note 5583 - E-mode GaN technology: tips for best driving
- *6 ST Microelectronics – Application note 5583 - E-mode GaN technology: tips for best driving| Tag: Basic structure of e-mode lateral GaN
- *7 Source: https://www.analog.com/en/resources/evaluation-hardware-and-software/evaluation-boards-kits/eval-ltc7890.html | Tag: Analog Devices EVAL-LTC7890-AZ
- *8 Source: https://www.yolegroup.com/strategy-insights/power-gan-harnessing-new-horizons/ |Tag: Power GaN Device Market
- *9 Source: https://www.yolegroup.com/press-release/yg-press-news-despite-the-current-global-economic-challenges-the-growth-trajectory-of-silicon-carbide-sic-for-power-electronics-remains-intact/ | Tag: Power SiC Device Market
- *10 Source: 10 Source: EPC - Application note AN002 - Fundamentals of Gallium Nitride PowerTransistors | Tag: Theoretical resistance / voltage limits GaN, SiC and Si
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