Galliumnitrid-Chips (GaN) haben mit ihren Kernvorteilen – geringe Verluste und hohe Leistungsdichte – die Grenzen herkömmlicher Silizium-basierter Bauelemente überwunden und sich als Schlüsseltechnologie für die Entwicklung von Mittel- und Niederspannungs-Motorantrieben etabliert. Zu den Kernvorteilen von GaN-Chips zählen: Geringe Schaltverluste: Null-Sperrverzögerung, kein Reststrom, geringe Schaltverluste der Kondensatoren, optimierte Spannungs-Strom-Überlappungsverluste – all dies reduziert die Gesamtverluste des Systems signifikant. Hohe Frequenzanpassungsfähigkeit: GaN unterstützt höhere PWM-Frequenzen (weit über dem Bereich von 6–16 kHz von Silizium-basierten Bauelementen). Die Frequenzerhöhung führt zu minimalen Leistungsverlusten, wodurch Strom- und Drehmomentwelligkeit des Motors effektiv reduziert und gleichzeitig die Regelgenauigkeit verbessert wird. Hohe Leistungsdichte: Kleinere passive Bauelemente (Induktivitäten und Kondensatoren) ermöglichen höhere Ausgangsströme unter gleichen Bedingungen und somit die Unterstützung größerer Lasten. Robuste Umgebungsbedingungen und schnelle Reaktionsfähigkeit: GaN zeichnet sich durch geringe Temperaturerhöhung, hohe Wärmebeständigkeit, schnelle dynamische Reaktionsfähigkeit und Anpassungsfähigkeit an komplexe Betriebsbedingungen aus. Vergleich der Kernparameter von GaN- und Si-basierten (IGBT/MOSFET) Motortreibern Kontrastverhältnis GaN-basierter Motortreiber Si-basierter Motortreiber (IGBT/MOSFET) I. Grundlegende Materialeigenschaften Bandlücke 3,4 eV (große Bandlücke, hohe Temperatur- und Druckbeständigkeit) 1,12 eV (kleine Bandlücke, geringe Toleranzgrenze) Wärmeleitfähigkeit Etwa dreimal so hoch wie die von Silizium (hohe Wärmeleitfähigkeit) Referenzwert (ca. 150 W/(m·K), mit geringer Leitfähigkeit) Elektronensättigungsgeschwindigkeit 2,8 × 10⁷ cm/s (Hochfrequenzschaltung möglich) Etwa 1 × 10⁷ cm/s (Hochfrequenzleistung begrenzt) II. Schaltleistung Maximale Schaltfrequenz Unterstützt MHz-Bereich (typischerweise 100 kHz+; in einigen Fällen MHz) Ausgelegt für 20 kHz, typischer Betrieb zwischen 6 und 16 kHz (Hochfrequenzbetrieb verursacht signifikante Leistungsverluste) Sperrverzögerungsladung Null (keine Sperrverzögerungsverluste, unterstützt hohe di/dt/dv/dt-Schaltgeschwindigkeiten) IGBTs benötigen parallele Dioden, die dennoch Sperrverzögerungsverluste verursachen; die Body-Diode eines MOSFETs hat einen hohen Qrr-Wert. Totzeit Minimum 14 ns (reduziert Drehmomentharmonische und Vibrationen) 100–500 ns (kann Stromdiskontinuität verursachen, was zu Drehmomentharmonischen sechster Ordnung führt) III. Verlustcharakteristika: Reduzierung der Schaltverluste (im Vergleich zu Silizium): Im diskreten Betrieb reduziert um 39% (11,6 W vs. 19 W), im kombinierten Betrieb reduziert um 24,5% (12,3 W vs. 16,3 W). Basiswert (hohe Frequenzen verursachen ein hohes Verlustverhältnis und begrenzen den Wirkungsgrad). Frequenzerhöhung: Verlustzunahme. Die Leistungssteigerung beträgt nur 0,7 W bei einer Frequenzerhöhung von 20 kHz auf 40 kHz, während die Verlustzunahme um 83% reduziert wird. Die Ausgangsleistung steigt um 4,1 W bei einer Erhöhung der Ausgangsleistung von 20 kWz auf 40 kWz (wobei die Verluste mit steigender Frequenz deutlich zunehmen). Der Einschaltwiderstand (RDS(on)) ist basierend auf einem zweidimensionalen Elektronengas (2DEG) deutlich niedriger als bei Siliziumbauelementen mit denselben Spezifikationen. Der Durchlasswiderstand (RDS) von MOSFETs steigt mit Stromstärke und Temperatur, während IGBTs eine konstante Sättigungsspannung beibehalten, aber Stromverluste am Ende des Betriebspunkts aufweisen. IV. Thermische Eigenschaften: Wärmewiderstand (Rth(is)) Bis zu 0,5 K/W (Flip-Chip/CCP, kurzer Wärmepfad) 1,5–2 K/W (traditionelles Gehäuse mit geringer Wärmeableitungseffizienz) Unterschiede in der Sperrschichttemperatur bei gleicher Leistungsaufnahme Niedrige Gehäusetemperatur (20–40 °C) (schnelle Wärmeleitung, minimale Wärmestauung) Die Temperatur ist zu hoch und kann den Überhitzungsschutz auslösen. Kühlkörper erforderlich Für Geräte unter 200 W ist kein Kühlkörper erforderlich; die 1-kW-Lösung mit geschlossenem Gehäuse macht einen Kühlkörper überflüssig, wenn die Stromstärke unter 18 A liegt. Systeme mit mittlerer und niedriger Leistung benötigen weiterhin Kühlkörper, während Hochleistungssysteme großflächige Kaltluft-/Flüssigkeitskühlmodule benötigen. V. Systemdesignmerkmale Volumen passiver Komponenten Der Austausch eines 330-µF-Elektrolytkondensators durch einen 22-µF-Keramikkondensator reduziert die Induktivität (wodurch die Anforderungen an die kapazitive Induktivität bei hohen Frequenzen sinken). Verwendung von Elektrolytkondensatoren und Induktivitäten mit großem Volumen (was eine Stromwelligkeitssimulation bei niedrigen Frequenzen erfordert). Leistungsdichte (Ausgangsstrom). Die diskrete Lösung bietet ein um 3,5 A höheres effektives Strom-Wert-Verhältnis (Si) und unterstützt gleichzeitig eine höhere Belastbarkeit bei identischem Temperaturanstieg. Referenzwert (Stromverstärkung begrenzt durch Leistungsverluste und Wärmeabfuhr). Elektromagnetische Störungen. Hohe Integration (z. B. gekapselte Halbbrücke), die eine interne Motorintegration ermöglicht, um die Kabellänge zu reduzieren und elektromagnetische Störungen zu minimieren. Diskrete Bauweise, lange Kabellänge, starke elektromagnetische Abstrahlung bei hohen Frequenzen. VI. Zuverlässigkeit und Temperaturtoleranz: Die Temperaturtoleranz ist deutlich höher als bei Si-basierten Bauelementen (stabilisierter Betrieb unter hoher Last). Niedrige Temperaturtoleranz, verkürzte Lebensdauer bei hohen Temperaturen (Arrhenius-Modell). Die Lebensdauer verdoppelt sich mit jedem Abfall der Sperrschichttemperatur um 10 °C (niedrigere Sperrschichttemperatur verlängert die Lebensdauer). Hohe Gehäusetemperatur und relativ kurze Lebensdauer. Mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF): Höher (geringe Verluste + geringe thermische Belastung, reduziertes Ausfallrisiko). Niedriger (höhere thermische Belastung und Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund von Verschleiß). Typische Hersteller und Lösungen für GaN: TI DRV7308 Integrierter GaN-FET-Vortreiber mit Dreiphasenmodulation und feldorientierter Steuerung. 12 mm × 12 mm QFN-Gehäuse mit einem Wirkungsgrad von über 99% in 250-W-Motorantriebsanwendungen, wodurch ein Kühlkörper überflüssig wird. Innosense Niederspannungslösung (48–60 V Eingang, kompatibel mit Motoren der 1-kW-Klasse): Diskrete Schaltung (INNDMD48V25A1): 6 INN100EA035A + 3 INS2003FQ, Gesamtverlust 11,6 W (Si-Schaltung 19 W) bei 40 kHz/20 A, Temperaturanstieg nur 10 °C bei Frequenzerhöhung auf 40 kHz. Verkapselte Schaltung (INNDMD48V22A1): 3 ISG3204LA Halbbrücken-GaN-Verkapselung, Gesamtverlust 12,3 W (Si-Schaltung 16,3 W) bei 40 kHz/20 A, kein Kühlkörper erforderlich bis 18 A. Unternehmen wie Texas Instruments (TI), Infineon, Innosense, EPC und Nanoware entwickeln aktiv Anwendungen von Galliumnitrid (GaN) in humanoiden Robotern, insbesondere für Motorantriebssysteme.
