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Mittwoch, 12 August 2020 07:00

Modular: GaN-auf-Si-Halbbrückenschaltungen auf PCB

von Volker Tisken
Geschätzte Lesezeit: 3 - 5 Minuten
Leiterplattenintegrierte GaN-auf-Si-Halbbrückenschaltung inklusive Gate- und Zwischenkreiskondensatoren Leiterplattenintegrierte GaN-auf-Si-Halbbrückenschaltung inklusive Gate- und Zwischenkreiskondensatoren

Mittels Embedding-Technologie haben Forscher des Fraunhofer IAF ihre monolithisch integrierten GaN-Power ICs als Halbbrückenschaltung inklusive Gate- und Zwischenkreiskondensatoren auf PCB-Material integriert. Damit steht für Leistungselektronik-Anwendungen ein äußerst kompakter, effizienter und hochintegrierter Spannungswandler der 600-Volt-Klasse in einer anwendungsfreundlichen Bauform zur Verfügung. Er arbeitet extrem ressourcenschonend und kann modular eingesetzt werden.

Röntgenaufnahme der Halbbrückenschaltung und Schaltplan der integrierten GaN Power ICs Röntgenaufnahme der Halbbrückenschaltung und Schaltplan der integrierten GaN Power ICs Um den steigenden Anforderungen an die Energieversorgung und -nutzung gerecht zu werden und die dafür notwendigen Systemkomponenten zu entwickeln, kommen Leistungshalbleiter in Spannungswandlern schon seit Jahren zum Einsatz. Aber nicht nur auf die Halbleitermaterialien kommt es an, sondern auch der Aufbau und das Design der Bauteile sind mittlerweile entscheidend: Je kompakter und effizienter der Aufbau ist, desto ressourcenschonender arbeiten die Bauteile.

Mit den diskreten Standardkomponenten, die den Markt der GaN-Leistungselektronik dominieren, ist der erforderliche kompakte Systemaufbau aber oft schwierig. Die kritischen Leiterschleifen zwischen Transistoren und der Spannungsversorgung müssen bisher aus diskreten Komponenten individuell als Schaltungen aufgebaut und verdrahtet werden.

„Die GaN-auf-Si-Technologie ermöglicht zwar monolithisch integrierte Schaltungen ... löst aber nicht das Verdrahtungsproblem ...“

Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg ist eine der weltweit führenden Forschungseinrichtungen auf den Gebieten III/V-Halbleiter und synthetischer Diamant. Es hat den anwenderfreundlichen hochintegrierten GaN-Spannungswandler entwickelt, um die künftigen Anforderungen energieeffizienter Leistungselektronik zur Energiewandlung und -übertragung beispielsweise in Elektromobilität oder Stromversorgung durch erneuerbare Energien besser zu unterstützen. Durch die integrierte Funktionsfähigkeit im Chip und allen kritischen, passiven Komponenten auf dem Gehäuse kann das Bauteil modular eingesetzt werden und reduziert so den Aufwand für die Entwicklung von leistungselektronischen Systemen der Zukunft.

Die Forscher des Fraunhofer IAF haben ihre Galliumnitrid-basierten integrierten Leistungsschaltungen (GaN Power ICs) als Halbbrücke in eine kleine Leiterplatte eingebettet, die gleichzeitig als Gehäuse bereits die kritischen Verdrahtungen samt Gate- und Zwischenkreiskondensator bereitstellt. Der resultierende Spannungswandler ist hochkompakt und effizient. Er eignet sich für alle 600-Volt Anwendungen und ermöglicht einen zuverlässigen modularen Systemaufbau. Design- und Produktionsprozesse werden deutlich erleichtert.

Das IAF stellte seine neuste GaN-Leistungselektronik auf der PCIM vor, die in diesem Jahr in digitaler Form als ‚PCIM Europe digital days' vom 7. bis 8. Juli 2020 stattfand. Der GaN Power IC des Fraunhofer IAF ist auch Teil eines Vortrags von Dominik Koch (Universität Stuttgart) auf der begleitenden PCIM Europe Konferenz.

Monolithische integrierte GaN Power ICs

Das Fraunhofer IAF hat langjährige Erfahrung in der monolithischen Integration leistungselektronischer GaN-Chiptechnologien. Im Rahmen des Forschungsprojekts GaNIAL ist es den Freiburger Forschern im letzten Jahr bereits gelungen, Strom- und Temperatursensorik, Leistungstransistoren der 600 V-Klasse, intrinsische Freilaufdioden und Gate-Treiber in einem einzigen GaN Power IC monolithisch zu integrieren. Das Halbleitermaterial Galliumnitrid wurde dabei auf preiswertes Siliziumsubstrat abgeschieden (GaN-auf-Si), wodurch sich die Chiptechnologie auch für einen kostengünstigen Einsatz in Massenanwendungen und in der Industrie eignet.

Durch die hohe Integrationsdichte ermöglicht der GaN Power IC des Fraunhofer IAF nicht nur eine höhere Schaltfrequenz und damit eine höhere Leistungsdichte als vergleichbare Schaltungen, sondern auch eine erhöhte Zuverlässigkeit und Kompaktheit durch die integrierte Sensorik. Mit den GaN Power ICs in einer Halbbrückenschaltung haben die Forscher bereits DC-DC Wirkungsgrade über 98,8 % bei 350 V erreicht sowie eine hohe Schaltfrequenz von 40 MHz im Dauerbetrieb bei 250 V und resonantem Betrieb nachgewiesen.

Hochintegriert durch PCB-Embedding

„Die GaN-auf-Si-Technologie ermöglicht zwar monolithisch integrierte Schaltungen für Halbbrückenwandler, löst aber nicht das Verdrahtungsproblem zu externen Kondensatoren. Diese kritischen Verbindungen zur Gatetreiber- und Zwischenkreisspannung sind aber essentiell für sauberes und effizientes Schaltverhalten. Um unserem Ziel eines optimalen Spannungswandlers näher zu kommen, mussten wir im nächsten Schritt die perfekte hochintegrierte Aufbautechnik für unsere GaN Power ICs finden“, erläutert Stefan Mönch, Wissenschaftler am Fraunhofer IAF. Zu diesem Zweck haben sie ihre ICs mit einer dicken Kupfergalvanik auf beiden Seiten prozessiert, wodurch sie sich für die Einbettung in eine Leiterplatte (printed circuit board: PCB) eignen.

Diese Anpassung der Metallisierung ermöglichte es, die Chips in der serientauglichen und zuverlässigen ET Microvia Embedding Technologie durch Würth Elektronik CBT aufzubauen. So konnten die Forscher zusammen mit den Projektpartnern Bosch und der Universität Stuttgart ein nur 12 mm breites und 0,4 mm flaches Leiterplattengehäuse entwerfen, das zwei monolithische GaN Power ICs als Halbbrücke integriert und die kritischen Entkopplungskapazitäten für die Gatetreiber- und Zwischenkreisspannung bereits auf dem Gehäuse bereitstellt. Durch die Embedding-Technologie kann auf Bonddrähte verzichtet werden, was gleichzeitig die parasitären Induktivitäten minimiert. Die kritischen Verbindungen zwischen GaN IC und den Kapazitäten sind damit bereits optimiert und müssen nicht mehr aufwändig auf Anwenderseite entworfen werden. Das Ergebnis ist eine anwenderfreundliche Lösung, die alle kritischen Komponenten eines Schaltwandlers bereits optimiert in einem Gehäuse bereitstellt.

Das Fraunhofer IAF entwickelt Bauelemente für elektronische Schaltungen im Bereich Kommunikations- und Mobilitätslösungen, Lasersysteme für die spektroskopische Echtzeit-Sensorik, neuartige Hardware-Komponenten für Quantencomputer sowie Quantensensoren für industrielle Anwendungen. Mit seinen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten deckt das Freiburger Forschungsinstitut die gesamte Wertschöpfungskette ab – angefangen bei der Materialforschung über Design und Prozessierung bis hin zur Realisierung von Modulen, Systemen und Demonstratoren.

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