GaN (Gallium-Nitrid)

HEMT: High Electron Mobility Transistoren - GaN-FETs

Sowohl im Schaltnetzteil als auch in der Leistungselektronik entsteht ein Großteil der Verluste im Leistungsschalter. Um Schaltverluste und Durchlassverluste der Leistungsschalter zu verringern, werden die Technologien für den Aufbau der Schalter weiterentwickelt. Je nach Anforderung stehen verschiedene Topologien für den Aufbau des Halbleiters im Leistungsschalter zur Verfügung:

HEMT (High Electron Mobility Transistor, FET) auf GaN-Basis
Diese neue Technologie eignet sich besonders für hohe Schaltfrequenzen. Sie bietet deutlich geringere Verluste und ermöglicht dadurch kompaktere Geräte und bessere Wirkungsgrade.

GaN - HEMT: High Electron Mobility Transistor

High Electron Mobility Transistoren aus Gallium-Nitrid haben große technische Vorzüge.

GaN-HEMT sind im Originalzustand je nach Technologie ohne Gate-Spannung entweder leitend oder gesperrt. Während die selbstsperrenden eMode-Typen ungünstigere Kenndaten haben, sind selbstleitende JFET-Typen ungünstig für den Schaltungsentwurf, weil ohne Ansteuerung alle Schaltelemente durchgeschaltet sind, was einen Kurzschluss verursachen würde.

Transphorm hat durch eine Kaskodenschaltung (siehe Prinzipschaltbild) erreicht, dass der GaN-FET sich wie ein selbstsperrender MOSFET verhält und auch genauso einfach angesteuert werden. Außerdem ergeben sich weitere verbesserte Eigenschaften:

  • Kompatibel zu Si-Treibern
  • Schnelles Schalten
  • Diodenfreie Brückenschaltung
  • Geringer Einschaltwiderstand
  • Kein Miller-Plateau

 

GaN-HEMTs werden oft auch einfach nur als GaN-FETs bezeichnet, der darüber stehenden Technologie

Vorzüge der GaN-HEMT-Technik

  • Höherer Wirkungsgrad: bis zu 50% geringere Verluste
  • Höhere Zuverlässigkeit und schnelleres Schalten durch Entfallen von Freilauf- und Body-Dioden
  • Höhere zulässige Betriebstemperatur: aktuell sind bis zu 175°C Sperrschichttemperatur zulässig; bei max. 150°C erzielt man höhere Lebensdauer/Zuverlässigkeit als bei Si-Halbleitern
  • "Elektronengas" sorgt für besonders kurze Schaltzeiten:
    Die hohe Elektronenbeweglichkeit der HEMTs, die die geringen Schaltzeiten ermöglicht, entsteht dadurch, dass sie mindestens zwei unterschiedliche Verbindungs-Halbleitermaterialien mit unterschiedlicher Bandlücke nutzen; neben GaN beispielsweise noch AlGaN. An der Grenzschicht zwischen beiden Materialien entsteht dann das sogenannte zweidimensionale Elektronengas, eine Zone, in der sich Elektronen entlang der Grenzfläche – und nur entlang dieser – besonders schnell bewegen können.

Si-MOSFET, Si-IGBT und GaN-HEMT im Vergleich: Brückenschaltungen

MOSFETs können in Brückenschaltungen mit ihren Body-Dioden arbeiten.
Nachteil: Wegen des hohen Qrr dieser Dioden ist die Schaltfrequenz auf typ. 100 kHz begrenzt.
IGBTs können in Brückenschaltungen arbeiten.
Nachteil: Es sind zusätzliche Freilaufdioden erforderlich: Die IGBTs selbst leiten nicht in Sperrichtung. IGBTs schalten langsam, dies begrenzt die Schaltfrequenz auf typ. 20 kHz.
GaN HEMT ermöglichen Brückenschaltungen ohne Dioden mit Schaltfrequenzen > 300 kHz!

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