Fraunhofer-Gesellschaft

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Entwurf und Charakterisierung monolithischintegrierter Logikschaltungen basierend auf einer lateralen 600 V GaN-on-Si Technologie

 
: Basler, Michael
: Kallfass, Ingmar; Quay, Rüdiger

Reutlingen, 2018, 97 pp.
Reutlingen, Hochschule, Master Thesis, 2018
German
Master Thesis
Fraunhofer IAF ()

Abstract
Treiber für immer kompaktere Leistungselektroniksysteme sind mobile Applikationen und LED-Beleuchtungssysteme, in denen Bauraum ein rares Gut ist. Bei diesen Anwendungen wird der Innovationsdruck in Richtung höherer Integration aufrecht gehalten. Ein Weg zu immer kompakteren Bauformen ist die Integration von Ansteuerschaltungen in das Leistungsmodul und führt zu dem so genannten intelligenten Leistungsmodul(Intelligent Power Module, IPM). Neue Halbleitermaterialien auf Basisvon Galliumnitrid (GaN) können diese Integration, aufgrund ihrer höheren Bandlücke und größeren Elektronenmobilität im Vergleich zu Silizium (Si), forcieren. Somit bietet GaN im Bereich der Leistungselektronik ein großes Potential für Anwendungen mit hohen Leistungsdichten und hohen Schaltfrequenzen bei hohen Umgebungstemperaturen. Zusätzlich kann das IPM in GaN aufgrund des lateralen Aufbaus monolithischintegriert werden. In Rahmen dieser Arbeit wird ein IPM in GaN aufgebaut, basierend auf der Fraunhofer IAF GaN-on-Si Technologie. Diese Technologie beinhaltet selbstleitende n-KanalTransistoren. Das IPM besteht hierbei aus dem Leistungstransistor mit integriertem Gate-Treiber und einer Ansteuerung bzw. Logik, die für eine analoge Regelung genutzt werden kann. Die Regelung, bestehend aus einem Komparator und einem RS-Flip op, funktioniert nach dem Prinzip der Strom-Spitzenwert-Regelung. Das IPM kann für die Anwendung eines LED-Treibers in einem LED-Wandler genutzt werden und wird mit Standard LED-Treibern aus Si verglichen. Für die Realisierung der Logik in der GaN-on-Si Technologie wurde eine Schaltungsbibliothekmit verschiedenen Grundschaltungen und zusammengesetzten Schaltungen entwickelt. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf der Analyse, Entwurf und Charakterisierung dieser digitalen und analogen Schaltungskomponenten. Mit Hilfe dieser Schaltungsbibliothek wurde ein Floating Buck-Converter mit analoger Regelung in dieser Technologie aufgebaut. Der Demonstrator kann Spannungen bis über200 V bei Schaltfrequenzen bis 5 MHz umwandeln. Im Dauerbetrieb wurde der Wandler bis Leistungen von 100Wbei Wirkungsgraden von bis zu 97% getestet. Es ist somit der erste funktionierende nicht-isolierende Spannungswandler mit Regelung, der komplett in der GaN(-on-Si) Technologie aufgebaut wurde. Eine monolithische Integration der Regelung würde < 1% der Gesamtchip äche benötigen. Die damit verbundenen Kostenkönnten vernachlässigt werden und der resultierende Funktionsgewinn wäre immens. Aus diesen Gründen leistet diese Arbeit einen Beitrag für zukünftige hochintegrierte, sowie hoche ziente Leistungselektronik.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-531712.html