Kompakter IC für 3-Phasen-Motor­inverter

Ob akkubetriebene Anwendungen wie E-Bikes, Robotik oder Drohnen, Antriebs- und Bordsysteme in der Mobilität, oder IT-Infrastrukturen – all diese Bereiche sind auf kostengünstige, effiziente, kompakte Elektronik angewiesen. Damit dieser Bedarf gedeckt werden kann, forscht das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF an GaN-basierten Schaltungen für Leistungselektronik-Anwendungen auch bei kleinen Spannungen bis zu 48 V.

Die 48-V-Klasse hält in letzter Zeit in verschiedensten Branchen Einzug. Grund dafür ist die effizientere Leistungsübertragung, die sie im Vergleich zu noch niedrigeren Versorgungsspannungen bietet. Ein Wechsel zu 48 V ist deshalb auch bei Anwendungen, die bisher noch niedrigere Spannungen nutzen, eine ressourcenschonende Alternative. 48 V bietet im Gegensatz zu Hochvolt-Leistungselektronik einen optimalen Kompromiss aus Effizienz und Sicherheit, da noch keine aufwendigen Sicherheitsmassnahmen nötig werden und die Spannungsklasse sich somit auch für alltägliche Anwendungen eignet.

Hochintegrierte GaN-Komponenten und Systeme sind die ideale Lösung für die 48-V-Technik. GaN besitzt im Vergleich zu Silizium deutlich bessere physikalische Eigenschaften für die Leistungselektronik. Zudem lassen sich mit der GaN-Technologie ganze Schaltungsteile auf einem Chip integrieren. So haben Forschende des Fraunhofer IAF verschiedene hochintegrierte GaN-Schaltungen und wegweisende Integrationskonzepte für Niedervolt-Anwendungen entwickelt und auf der PCIM 2021 vorgestellt: Zwei sonst nebeneinander realisierte Transistoren einer integrierten Halbbrücke wurden in ein hochkompaktes, ineinander verschachteltes Halbbrücken-Design überführt, das besonders klein ist. Drei solcher Halbbrücken wurden in einem Motorinverter GaN-IC für Niedervolt-Anwendungen integriert.

Kompaktes Chiplayout für Niederspannungs-Anwendungen

Bei verschiedenen Leistungselektronik-Anwendungen kommen schon seit einigen Jahren GaN on Si High-Electron-Mobility-Transistoren (HEMTs) zum Einsatz. Am Fraunhofer IAF konnte gezeigt werden, wie mit fortschrittlichen Layouts und neuen analytischen Entwurfskonzepten GaN-Bauelemente künftig noch kompakter und effizienter werden. «In der Forschung und Entwicklung waren bislang vor allem die 600 V GaN-Bauelemente im Fokus. Konzepte zum Entwurf von hochkompakten Niedervolt-GaN-Power ICs sind kaum erforscht!» bemerkt Richard Reiner, Wissenschaftler am Fraunhofer IAF, der in einem Fachaufsatz flächeneffiziente Designs für GaN-HEMTs untersucht.

Fortschrittliche Aufbautechnologie für Halbbrücken-ICs

«Die GaN-Technologie erlaubt die Integration einer Halbbrücke bestehend aus zwei Leistungstransistoren in einem Chip, was die Kompaktheit eines Systems deutlich erhöht. Um diesen Vorteil nutzen zu können, ist es aber extrem wichtig, die Integration auf Packaging- und Chiplevel zu optimieren,» erklärt Michael Basler, Doktorand am Fraunhofer IAF. Denn das Packaging der Halbbrücken-ICs stellt durch die hohen Anforderungen bzgl. elektrischer und thermischer Leistung sowie Zuverlässigkeit eine Herausforderung dar. In seinem Vortrag präsentierte der Freiburger Wissenschaftler eine Kombination von GaN-ICs mit PCB-Embedding-Technologie als eine fortgeschrittene Packaging-Lösung, die sich bis zu einem System-in-Package erweitern lässt und extrem hohe Leistungsdichten bei Niedervolt-DC/DC-Wandlern ermöglicht.

Integriertes Chipdesign für Motorinverter

Neben Einzeltransistoren gibt es bereits kommerzielle GaN-Niedervolt-Halbbrücken ICs. Diese integrieren zwar zwei Leistungstransistoren in einem Chip, allerdings nur nebeneinander, wodurch noch nicht das volle Potenzial genutzt wird. Das Fraunhofer IAF hat es jetzt geschafft, beide Halbrückentransistoren in der kleinsten Strukturebene ineinander zu verschachteln, was die Effizienz noch weiter verbessert. Drei dieser Halbbrückenstrukturen wurden in einen 3-Phasen-Motorinverter GaN-IC integriert. Der Entwickler des ICs, Stefan Mönch vom Fraunhofer IAF, erklärt die Vorteile, die durch den verschachtelten Aufbau entstehen: «Die intrinsische Halbbrücke verbessert die elektrischen Schalteigenschaften, und alle drei Phasen im selben IC reduzieren den Temperaturhub bei Motorbetrieb. Nur ein IC ist auch günstiger und einfacher aufzubauen als sechs Transistoren oder drei Halbbrücken, die man bisher für einen GaN-basierten Motorinverter benötigte.»

Die vorgestellten Integrationskonzepte für Niedervolt-GaN-ICs des Fraunhofer IAF zeigen wegweisende Ansätze von der Materialentwicklung über Aufbaudesigns bis hin zu anwenderfreundlichen Schaltungen. Solche Konzepte für effiziente und kompakte GaN-Technologien bilden eine Schlüsselkomponente für künftige Anwendungen der 48-V-Klasse. Die vorgestellten Technologien sind im Rahmen der Forschungsprojekte «GaNTraction» und «GaNonCMOS» entstanden.