Selbstsperrender GaN-Transistor

Echte Alternative zum MOSFET

13. Mai 2014, 16:59 Uhr   |  Howard Sin und Francois Perraud

Bislang vorgestellte GaN-Transistoren hatten einen großen Nachteil: Im Normalzustand sind sie selbstleitend. Vom MOSFET sind die Entwickler aber selbstsperrende Schalter gewöhnt. Nun ist ein selbstsperrender GaN-Transistortyp vorgestellt worden, der eine Sperrspannung von bis zu 800 V haben könnte.

Mehr als 35 Jahre beherrschte der Leistungs-MOSFET die Powermanagement-Systeme. Grund dafür waren die ständige technologische Weiterentwicklung seiner Halbleiterstruktur sowie seine einfache Anwendung in verschiedenen Schaltungstopologien. Doch zu Beginn des neuen Jahrtausends erreichten Leistungs-MOSFETs ihre theoretischen Grenzen, sodass weitere Fortschritte bei Stromversorgungen und Powermanagement-Systemen mit diesem Schaltelement nicht mehr so einfach möglich waren. Aktuelle Trends beim Netzteildesign sowohl für industrielle als auch kommerzielle Anwendungen konzentrieren sich auf höhere Wirkungsgrade und Leistungsdichten, die über die Fähigkeiten der siliziumbasierten MOSFET-Technik hinausgehen. Daher begannen Entwicklungsingenieure nach Schaltelementen zu suchen, die in der Lage sind, den Bedürfnisse moderner Stromversorgungen und Power-Management-Systeme gerecht zu werden. Das war der Start für die Konzeption von Galliumnitrid-Transistoren (GaN).

Bild 1: Übertragungskennlinie eines selbstsperrenden, GaN-basierenden Gate-Injected-Transistor (GIT) sowie eines konventionellen selbstleitenden GaN-Schalttransistors.
© Panasonic Industrial Devices

Bild 1: Übertragungskennlinie eines selbstsperrenden, GaN-basierenden Gate-Injected-Transistor (GIT) sowie eines konventionellen selbstleitenden GaN-Schalttransistors.

Anfang der 2000er Jahre wurden die ersten GaN-Transistoren vorgestellt. Mit seinen vielversprechenden Eigenschaften bei hohen Schaltgeschwindigkeiten und -frequenzen, einem sehr niedrigen Durchlasswiderstand und einer hohen Durchbruchspannung wird GaN als Leistungshalbleitermaterial der nächsten Generation propagiert. Es hat – anders als gewöhnliche MOSFETs aus Silizium – die erforderlichen Eigenschaften, um die Leistungsdichte auf Hunderte Watt pro Kubikzoll zu schrauben und den Wirkungsgrad der Stromversorgung auf eine höhere Ebene zu heben.

Zwar haben Siliziumkarbid-Schalter Vorteile bei Sperrspannungen ab 1,2 kV, aber im Massenmarkt bei Sperrspannungen von 600 V bis etwa 900 V punkten GaN-Transistoren bei der Kostenstruktur aufgrund der relativ kostengünstigen Siliziumwafer. Wegen der geringen Sperrverzögerungsladung Qrr eignen sich GaN-Schalter auch als Ersatz von schnellen SiC-Dioden, sodass sie zum Beispiel das Design hocheffizienter brückenloser Totem-Pole-PFC-Schaltungen möglich machen.

Bild 2: Kaskodenstruktur, bestehend aus einem selbstleitenden GaN-Schalttransistor und einem Silizium-MOSFET mit niedriger Sperrspannung, um daraus ein pseudo-selbstsperrendes Bauteil zu generieren
© Panasonic Industrial Devices

Bild 2: Kaskodenstruktur, bestehend aus einem selbstleitenden GaN-Schalttransistor und einem Silizium-MOSFET mit niedriger Sperrspannung, um daraus ein pseudo-selbstsperrendes Bauteil zu generieren

Bislang vorgestellte GaN-Schalter hatten jedoch einen gravierenden Nachteil: Im Normalzustand sind sie selbstleitend (normally on). Anders als MOSFETs leiten sie also Strom, wenn keine Gate-Spannung anliegt. Nur durch eine negative Gate-Spannung lassen sich GaN-Transistoren wirklich sicher ausschalten (Bild 1, rote Kurve). Dies warf bei den Entwicklungsingenieuren Sicherheitsbedenken auf und hat verhindert, dass sie im Markt weite Verbreitung fanden. Als Gegenmaßnahme haben die Chiphersteller eine Kaskodenstruktur implementiert, um ein pseudo-selbstsperrendes Bauteil (normally off) zu erhalten.

Die Kaskode besteht aus einem GaN-Transistor und einem Standard-Silizium-MOSFET mit niedriger Sperrspannung in Serie dazu (Bild 2). Beide Schalter sind in einem Gehäuse als Modul oder als Multi-Chip-Lösung verpackt. Wesentliche Nachteile der Kaskodenstruktur bestehen darin, dass es nicht möglich ist, die Schaltgeschwindigkeit des GaN-Elements direkt zu steuern, und dass solche Bauteile offensichtlich komplexer zu fertigen sind und die zusätzlichen Bond-Drähte die parasitäre Induktivitäten weiter erhöhen.

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1. Echte Alternative zum MOSFET
2. Neue Transistorstruktur
3. »Current Collapse« verhindern

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