GaN-Technologie für Hochspannungsstromsysteme der nächsten Generation

Laut Nick Flaherty hat Power Integrations eine Galliumnitrid-(GaN)-Technologie entwickelt, die bei hohen Leistungsanwendungen wie Motorenumrichtern und Megawatt-Ladungssystemen bis zu 2200 V arbeiten kann.

Durch die Konstruktion des neuen Geräts wird bei hohen Spannungen ein höherer Sicherheitspuffer erreicht, was zu einer deutlich besseren Zuverlässigkeit führt und gleichzeitig höhere Schaltfrequenzen für kleinere Umrichter ermöglicht.

„Wir haben 2017 mit dem 1500-V-GaN-Produkt begonnen und dann 2024 das 1700-V-Modell eingeführt – dies war die ideale Spannung für Anwendungen im Automobilbereich mit 800 V. Unser 900-V-Produkt ist vollständig nach AEC-Standards zertifiziert, wird bereits heute in Fahrzeugen eingesetzt und dessen Produktionsteilmenge nimmt stetig zu“, sagte Roland Saint-Pierre, Vizepräsident für Produktentwicklung bei Power Integrations. „Das 2200-V-GaN-Produkt sichert uns langfristige Einsatzmöglichkeiten für Anwendungen, die über 800 V hinausgehen; ab einer Spannung von über 1000 V ist eine höhere Strombelastbarkeit erforderlich.“

Das 2200-V-Gerät arbeitet im Entladungsmodus (D-Modus) und ist in Kombination mit einem Silizium-MOSFET in einer Cascode-Konfiguration ständig aktiv. Die Cascode-Struktur basiert auf einem Saphirsubstrat, das ein wichtiger Bestandteil ist, um die Spannung auf 2200 V zu erhöhen.

Durch den Cascode-Umschalter ist der Einstellbereich für die Gate-Spannung deutlich größer, und es ist kein negativer Spannungsantrieb erforderlich. Die Schwellenspannung des MOSFET beträgt 3 V, während die höchste Spannung bei einem Standard-Gate-Antrieb bis zu 15 oder 20 V liegt. „Im Vergleich zum E-Modus-GaN verringern wir außerdem die Verluste“, sagte er.

„Für automobile Megawatt-Ladegeräte, die bei 1500 V arbeiten, ist das 2200-V-Gerät ideal. Zudem wird zunehmend auf 800 V umgestellt, um das Gewicht des Fahrzeugs zu verringern; bereits heute gibt es elektrische Busse und Lastwagen mit 1200 V. Mit 2200 V hat man somit genau die richtige Spannung“, sagte er.

„Der Leckstrom beginnt ab einer Spannung von 4000 V anzusteigen, weshalb ein Puffer von 2000 V vorhanden ist. Für die FIT-Rate [Versagen innerhalb einer bestimmten Zeit] spielen Temperatur und Spannung eine Rolle, und dieser Puffer ermöglicht es uns, eine FIT-Rate von unter 1 zu erreichen – was um ein Vielfaches besser ist als bei anderen Geräten.“

Das Unternehmen hat eine kontinuierliche Schaltfunktion bei 1760 V mit einer konstanten Durchlasswiderstand gezeigt, was seiner Aussage nach die erste solche Demonstration über 1500 V ist. Anstatt dass der Durchlasswiderstand mit steigender Bruchspannung stärker erhitzt, sorgt die konstante Durchlasswiderstand für höhere Zuverlässigkeit, da die thermischen Effekte stabil bleiben.

„Wir arbeiten an einer Reihe von Produkten. Es handelt sich dabei um einen ersten Schritt, wobei die Einführung des Produkts in der zweiten Hälfte nächsten Jahres [2027] stattfinden wird. Die Technologie ist derzeit in der Endabnahmephase“, sagte Saint-Pierre. Das Unternehmen plant, automotive-zertifizierte Geräte bereits im Jahr 2028 auf den Markt zu bringen.

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