Neueste GaN-ICs sorgen für mehr Geschwindigkeit, Effizienz und Leistungsdichte

Jun 17, 2023

Dank ihrer schnellen Schaltgeschwindigkeit, der guten Wärmeleitfähigkeit und dem geringen Einschaltwiderstand hat die Galliumnitrid-Technologie (GaN) in der Leistungshalbleiterindustrie an Bedeutung gewonnen. Halbleiterunternehmen nutzen weiterhin die GaN-Technologie, um effiziente Leistungsgeräte herzustellen, die für den Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen geeignet sind.

In diesem Artikel fassen wir die neuesten GaN-Geräte zusammen, die kürzlich auf den Markt gebracht wurden.

STMicroelectronics (ST) stellte seinerseits zwei VIPerGaN-Hochspannungswandler vor, nämlich den VIPerGaN100 und den VIPerGaN65. Die VIPerGaN-Leistungswandlerfamilie integriert einen High Electron Mobility Transistor (HEMT) und einen fortschrittlichen Pulsweitenmodulator (PWM)-Controller, um eine höhere Leistungsdichte, einen höheren Wirkungsgrad sowie eine geringere Leiterplattengröße und -kosten zu erreichen

Laut ST zielen diese neuen Geräte darauf ab, die Designanforderungen von quasiresonanten (QR) Sperrwandlern mittlerer Leistung mit einem Schalter zu erfüllen. Der VIPerGaN100 erfüllt die Anforderungen für Sperrwandler mit einer Ausgangsleistung von 100 W, während VIPerGaN65 speziell für Sperrwandler mit einer Ausgangsleistung von 65 W hergestellt wird.

Die VIPerGaN-Geräte enthalten einen 650-V-GaN-Leistungstransistor im Anreicherungsmodus und unterstützen den Betrieb im Quasi-Resonanzmodus. Die Kombination aus quasi-resonantem Modus, Unterstützung für dynamische Austastzeit und Unterstützung für Talsynchronisation trägt zusammen dazu bei, Schaltverluste zu reduzieren. Diese Funktionen steigern auch die Gesamteffizienz unter allen Eingangsleitungs- und Lastbedingungen, so das Unternehmen.

Laut ST sind die Stromrichter für hohe Zuverlässigkeit und Schutz optimiert, da sie über robuste Sicherheits- und Schutzmechanismen verfügen, zu denen Überspannungsschutz, Übertemperaturschutz (OTP), Überlastschutz (OLP), Brown-In/Out-Schutz usw. gehören.

Die beiden Geräte werden in 5 mm × 6 mm großen QFN-Gehäusen angeboten. Zu den Zielanwendungen dieser Hochspannungswandler gehören Schaltnetzteile (SMPS) für USB-PD-Ladegeräte, intelligente Gebäudesteuerungen, Haushaltsgeräte, Klimaanlagen, intelligente Messgeräte, Beleuchtung und andere industrielle Anwendungen

Unterdessen sagt ST, dass die Stromrichter umweltfreundlich sind, weil sie so hergestellt werden, dass sie den Spezifikationen globaler Energieeinsparungen und Netto-CO2-Emissionen von Null entsprechen. Weitere Informationen finden Sie in den Datenblättern für VIPerGaN100 und VIPerGaN65.

Um eine nahtlose Stromumwandlung in DC-DC-Leistungsanwendungen zu ermöglichen, hat EPC ein Paar GaN-basierter Leistungsstufen-ICs in sein ePower Stage IC-Portfolio aufgenommen. Zu den Funktionsmerkmalen der Geräte gehören eine Eingangslogikschnittstelle, Pegelverschiebung, Bootstrap-Aufladung und Gate-Treiber-Pufferschaltungen. Ebenfalls enthalten sind GaN-basierte Ausgangs-Feldeffekttransistoren (FETs).

Das Unternehmen gibt an, dass der integrierte Leistungsstufen-IC es Designern ermöglicht, einfache Layouts und Designs robuster Leistungsgeräte und -lösungen zu erstellen. Es hilft auch, Platz auf der Leiterplatte zu sparen und die Gesamteffizienz und Leistung zu steigern.

Laut EPC wurden die Modelle EPC23103 und EPC23104 entwickelt, um die Leistungsdichte zu erhöhen und gleichzeitig die Designs für unterschiedliche Leistungsanforderungen in Rechenzentren, Motorantrieben und Audioverstärkern der Klasse D zu vereinfachen.

Die neuen Leistungsstufen-ICs umfassen einen Halbbrücken-Gate-Treiber, der mit internen High-Side- und Low-Side-FETs integriert ist. Nach Angaben des Unternehmens werden die FETs mithilfe der firmeneigenen GaN-IC-Technologie in den Halbbrücken-Gate-Treiber integriert.

Die Geräte zeichnen sich durch einen geringen Einschaltwiderstand aus. Somit verfügt der EPC23103 über einen Drain-Source-Einschaltwiderstand von 7,6 mΩ an den High-Side- und Low-Side-FETs, während der EPC23104 über einen Drain-Source-Einschaltwiderstand von 11 mΩ an den High-Side- und Low-Side-FETs verfügt.

Der niedrige Einschaltwiderstand sorgt für eine schnelle Schaltgeschwindigkeit. Obwohl die beiden Geräte eine maximale Eingangsspannung von 100 V unterstützen und bequem mit einer Mindestspannung von 80 V betrieben werden könnten, hat der EPC23103 einen Leistungsstufen-Laststrom von 25 A, während EPC23104 einen Leistungsstufen-Laststrom von 15 A hat.

Die Geräte sind in einem 3,5 mm × 5 mm großen QFN-Gehäuse untergebracht. Das thermisch verbesserte QFN-Gehäuse des Geräts ermöglicht einen geringen Wärmewiderstand von der Verbindungsstelle bis zum Kühlkörper auf der Oberseite. Weitere Informationen finden Sie in den Datenblättern zum EPC23103 und EPC23104.

Da GaN-Geräte für ihre hohen Schaltgeschwindigkeiten bekannt sind, ist die Steuerung dieser Geschwindigkeiten für Entwickler zu einer Herausforderung geworden. Gleichzeitig besteht ein wachsender Bedarf an der Entwicklung miniaturisierter Stromversorgungslösungen durch Hochgeschwindigkeitsschaltung. Vor diesem Hintergrund hat Rohm Semiconductor eine Hochgeschwindigkeits-Steuerungs-IC-Technologie vorgestellt, die nicht nur die Geschwindigkeit steuert, sondern auch die Leistung von GaN-Geräten beschleunigt.

Die Steuerungs-IC-Technologie beinhaltet die Nano Pulse Control-Technologie des Unternehmens. Nano Pulse Control ist eine analoge Stromversorgungstechnologie, die die Umwandlung von Hochspannung in Niederspannung mit einem einzigen IC ermöglicht. Wichtig ist, dass diese Umwandlung schnell und in Nanosekunden erfolgt.

Nach Angaben des Unternehmens ist die Steuer-IC-Technologie für Stromversorgungs-ICs konzipiert, um deren Steuerimpulsbreite zu erhöhen. Infolgedessen gelang dem Unternehmen ein Durchbruch, indem es die Steuerimpulsbreite von Leistungs-ICs deutlich von 9 ns auf einen Branchenrekord von 2 ns verbesserte. Darüber hinaus sagt Rohm, dass bei der Verwendung von EcoGaN-Geräten mit dem Kontroll-IC erheblich Energie gespart wird.

Ingenieure können die neue Steuerungs-IC-Technologie von Rohm nutzen, um hohe Spannungen von bis zu 60 V auf niedrige Spannungen von bis zu 0,6 V herunterzustufen. Dies alles kann mit einem einzigen Stromversorgungs-IC in 24-V- und 48-V-Stromversorgungsanwendungen erfolgen. Rohm arbeitet nach eigenen Angaben daran, seine 100-V-1-Kanal-DC/DC-Steuerungs-IC-Technologie in der zweiten Hälfte des Jahres 2023 kommerziell verfügbar zu machen.