Miniatuur krachtpatser

101 A, 1 mΩ en maar 15 mm2

Bij het telkens kleiner worden van de elektronicacomponenten lopen de makers hiervan elke keer tegen dezelfde grens aan. Kleiner kan het eigenlijk niet omdat maximale stroom en warmteontwikkeling dit onmogelijk maken. Toch weet men keer op keer weer iets nieuws te vinden waardoor de grenzen verlegd worden. Een mooi voorbeeld hiervan zien we bij GaN-transistoren. Dit materiaal biedt mogelijkheden die voorheen ondenkbaar waren.

De Amerikaanse firma Efficient Power Conversion Corporation (EPC) is een bedrijf dat zich, zoals de naam al aangeeft, richt op componenten voor vermogenselektronica. Voor dit doel heeft men een indrukwekkende hoeveelheid componenten, van transistoren tot complete IC’s, op basis van gallium-nitride-technologie uitgebracht. Onlangs heeft men aan deze lijst de EPC2361 toegevoegd. Dit is een FET bedoeld voor diverse vermogenselektronica-applicaties zoals voedingen, laders, omvormers en motorsturingen. Opvallend aan dit onderdeel zijn de eigenschappen. Om te beginnen zijn dat de afmetingen. Met slechts 3 x 5 x 0,7 mm neemt hij nagenoeg geen ruimte in beslag op de print. In deze kleine ruimte heeft men een chip weten te verwerken die 101 A kan schakelen en zelfs bij kortstondige pulsen van max. 300 μs niet defect raakt bij ruim 500 A. Wie daarbij bedenkt dat de drain-source-spanning 100 V mag bedragen, zal het eens zijn met de stelling dat dit zeer indrukwekkend is.

Galliumnitridetechnologie

Galliumnitride is een belangrijke kandidaat om de prestaties van elektronische componenten naar een hoger niveau te tillen en tegelijkertijd de wet van Moore te reactiveren. Waarom dit kan, ligt bij het feit dat GaN 1000 keer efficiënter elektronen geleidt dan silicium. Tegelijkertijd zijn de kosten lagere dan bij het vervaardigen van vergelijkbare componenten in silicium. Dit laatste komt omdat de chips kleiner zijn. Voor GaN-componenten worden dezelfde productieprocedures gebruikt in dezelfde fabrieken maar door het feit dat galliumnitride-halfgeleiders kleiner zijn, kunnen er per wafer meer onderdelen geproduceerd worden. Het is dit gegeven dat GaN-componenten altijd minder kosten om te vervaardigen dan hun silicium-tegenhangers.
Gesteld mag worden dat er voor galliumnitridetechnologie een fraaie toekomst in het verschiet ligt. Het is namelijk niet alleen het prijsverschil, maar vooral ook de eigenschappen die maken dat met GaN meer kan dan met Si.
Ondertussen zijn er al de nodige componenten beschikbaar met deze technologie waardoor innovatieve ontwerpers nu al kunnen profiteren van GaN door de volgende eigenschappen:

• lagere aan-weerstand, wat lagere geleidingsverliezen oplevert
• snellere componenten met minder schakelverliezen
• minder capaciteit, wat resulteert in minder verliezen bij het opladen en ontladen van de interne capaciteiten
• minder stroom nodig om het circuit aan te sturen
• kleinere componenten nemen minder ruimte in beslag op de printplaat
• lagere kosten

Hogere vermogensdichtheid en hoger rendement

Dankzij de aanzienlijke verbeteringen die GaN biedt op het gebied van schakelprestaties en verkleining van de afmetingen, kan een recordvermogensdichtheid en -efficiëntie worden gerealiseerd voor een groot aantal toepassingen. Een voorbeeld zien we bij 48 V-voedingen die nodig zijn in computertoepassingen met hoge dichtheid voor cloud computing, kunstmatige intelligentie, machine learning en gaming-toepassingen. Hoogefficiënte omzetters met een hoge vermogensdichtheid maken een vermindering van de vermogensverliezen op systeemniveau mogelijk, terwijl kleinere vormfactoren mogelijk zijn. Voorbeelden hebben al aangetoond dat een GaN gebaseerd referentieontwerp een vermogensdichtheid > 4 kW/inch³ kan bereiken. Tegelijkertijd  heeft deze 48 V naar 12 V stroomomzetter een piekefficiëntie van 96,3% en 93,8% bij het leveren van 1 kW aan een 12V-belasting. En dat met moduleafmetingen van 17,5 × 22,8 × 7,7 mm.

Kleiner

We staan nog maar aan het begin van de GaN-revolutie. Zelfs de nieuwste apparaten op de markt zijn ongeveer 300 keer groter dan ze zouden zijn als ze geheel worden gemaakt met de theoretische limieten voor GaN.
De belangrijkste kans voor GaN om de prestaties van stroomconversiesystemen te beïnvloeden en de vele voordelen ervan te bewijzen, komt voort uit het intrinsieke vermogen om componenten op zowel vermogensniveau als signaalniveau op hetzelfde substraat te integreren. EPC produceert sinds 2014 GaN-IC’s waarbij complete systemen op één enkele GaN-op-Si-chip worden ondergebracht. Naar de mening van de firma EPC worden elektronicacomponenten dus nog kleiner, sneller, goedkoper en meer geïntegreerd.

Galliumnitride (GaN) en siliciumcarbide (SiC)

Zowel GaN als siliciumcarbide (SiC) zijn halfgeleideroplossingen voor componenten voor hogere spanningen, hogere frequenties en meer geïntegreerde producten. Beide gaan ver voorbij dat wat met silicium mogelijk is. Deze factoren leiden tot de wijdverbreide acceptatie van siliciumcarbide en galliumnitride op de elektronicamarkt. SiC is ideaal voor hoogspanningstoepassingen boven 900 V en GaN is geschikt voor toepassingen beneden 700 V. Het twijfelgebied voor GaN en SiC zien we bij de toepassingen tussen 700…900 V waar we de meeste elektrische aandrijvingen voor elektrische voertuigen tegen komen. Hier zijn voorlopig silicium-IGBT’s nog superieur.

Betere thermische prestaties

Doordat de GaN-componenten toch nog altijd voor verliezen zorgen, is het daarom belangrijk om op een juiste manier de warmte over te dragen aan de omgeving. GaN FET’s hebben uitstekende absolute thermische prestaties ondanks het veel kleinere FET-oppervlak vergeleken met gelijkwaardige MOSFET’s. Voor GaN-transistoren op chipschaal is de thermische weerstand naar de behuizing zelfs lager dan die van siliciumcomponenten. Het pad van junctie naar behuizing vormt dus een goede thermische geleiding. Het in de hand houden van de junction-temperatuur is daardoor veel eenvoudiger.

Hoe te koelen

De nieuwe transistor waar we het hier over hebben, is de EPC2361. Dit is een zogenaamde GaN enhanced mode power transistor ook wel aangeduid als eGaN. Deze is zoals gezegd geschikt voor een stroom van iets meer dan 100 A en heeft een R_DS(on) van 1 mΩ. Ondanks deze zeer lage R_DS(on) zal er toch bij een stroom van 100 A een vermogen van 10 W aan warmte opgewekt worden. Niet veel, maar wel gezien de afmetingen van de behuizing. Koeling op maat zal dan ook onvermijdelijk zijn.
Zoals in afbeelding 1 te zien is, behoeft dit niet echt ingewikkeld te zijn. Met een geschikt koellichaam dat op een juiste manier gemonteerd is, komt u een heel eind. De behuizing die gebruikt is, helpt daar ook aan mee. Deze is namelijk verre van conventioneel. In principe heeft het onderdeel drie aansluitingen, namelijk de drain, de source en de gate. De behuizing heeft, zoals op de foto te zien is, veel meer aansluitingen die, als we de onderkant bekijken ook nog eens doorlopen van links naar rechts (afbeelding 2). De datasheet geeft hier helderheid. De aansluiting 1 is de gate en de source is verbonden met de aansluitingen 2, 4 en 6. De overgebleven aansluitingen, 3, 5 en 7, zijn de drain (afbeelding 3). Deze opbouw zorgt er voor dat de chip ook optimaal warmte kwijt kan raken richting de print. Deze moet hierop dan wel speciaal zijn ontworpen. Doordat een deel van de warmte richting de print gaat, wordt er zoals in afbeelding 1 te zien is, ook een filler aangeraden.
Bedenk dat de metalen bovenkant van het onderdeel elektrisch verbonden is met de source. Worden twee transistoren tegelijkertijd onder één koellichaam geplaatst, zoals in afbeelding 1, dan kan het zijn dat elektrische isolatie vereist is.

Hoge snelheden

Doordat de chip bijna direct met de aansluitingen van de transistor verbonden is, heeft dit onderdeel dan ook nagenoeg geen parasitaire seriële inducties. Dit komt de snelheid ten goede. Het printontwerp is dan ook voor een groot deel bepalend tot welke schakelfrequentie de schakeling goed zal functioneren. Gelukkig wordt er hierbij vanuit EPC de nodige hulp geboden. Allereerst treft u op de site van EPC heel veel achtergrondinformatie aan over het toepassen van hun onderdelen. Daarnaast heeft men een demo-bord beschikbaar waar deze transistor ook op toegepast kan worden. Met al deze hulp kunt u snel en eenvoudig dit nieuwe onderdeel succesvol inzetten in uw ontwerp.