Galliumnitrid-Chips (GaN) haben mit ihren Kernvorteilen â geringe Verluste und hohe Leistungsdichte â die Grenzen herkömmlicher Silizium-basierter Bauelemente ĂŒberwunden und sich als SchlĂŒsseltechnologie fĂŒr die Entwicklung von Mittel- und Niederspannungs-Motorantrieben etabliert. Zu den Kernvorteilen von GaN-Chips zĂ€hlen: Geringe Schaltverluste: Null-Sperrverzögerung, kein Reststrom, geringe Schaltverluste der Kondensatoren, optimierte Spannungs-Strom-Ăberlappungsverluste â all dies reduziert die Gesamtverluste des Systems signifikant. Hohe FrequenzanpassungsfĂ€higkeit: GaN unterstĂŒtzt höhere PWM-Frequenzen (weit ĂŒber dem Bereich von 6â16 kHz von Silizium-basierten Bauelementen). Die Frequenzerhöhung fĂŒhrt zu minimalen Leistungsverlusten, wodurch Strom- und Drehmomentwelligkeit des Motors effektiv reduziert und gleichzeitig die Regelgenauigkeit verbessert wird. Hohe Leistungsdichte: Kleinere passive Bauelemente (InduktivitĂ€ten und Kondensatoren) ermöglichen höhere Ausgangsströme unter gleichen Bedingungen und somit die UnterstĂŒtzung gröĂerer Lasten. Robuste Umgebungsbedingungen und schnelle ReaktionsfĂ€higkeit: GaN zeichnet sich durch geringe Temperaturerhöhung, hohe WĂ€rmebestĂ€ndigkeit, schnelle dynamische ReaktionsfĂ€higkeit und AnpassungsfĂ€higkeit an komplexe Betriebsbedingungen aus. Vergleich der Kernparameter von GaN- und Si-basierten (IGBT/MOSFET) Motortreibern KontrastverhĂ€ltnis GaN-basierter Motortreiber Si-basierter Motortreiber (IGBT/MOSFET) I. Grundlegende Materialeigenschaften BandlĂŒcke 3,4 eV (groĂe BandlĂŒcke, hohe Temperatur- und DruckbestĂ€ndigkeit) 1,12 eV (kleine BandlĂŒcke, geringe Toleranzgrenze) WĂ€rmeleitfĂ€higkeit Etwa dreimal so hoch wie die von Silizium (hohe WĂ€rmeleitfĂ€higkeit) Referenzwert (ca. 150 W/(m·K), mit geringer LeitfĂ€higkeit) ElektronensĂ€ttigungsgeschwindigkeit 2,8 Ă 10â· cm/s (Hochfrequenzschaltung möglich) Etwa 1 Ă 10â· cm/s (Hochfrequenzleistung begrenzt) II. Schaltleistung Maximale Schaltfrequenz UnterstĂŒtzt MHz-Bereich (typischerweise 100 kHz+; in einigen FĂ€llen MHz) Ausgelegt fĂŒr 20 kHz, typischer Betrieb zwischen 6 und 16 kHz (Hochfrequenzbetrieb verursacht signifikante Leistungsverluste) Sperrverzögerungsladung Null (keine Sperrverzögerungsverluste, unterstĂŒtzt 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) 100â500 ns (kann StromdiskontinuitĂ€t verursachen, was zu Drehmomentharmonischen sechster Ordnung fĂŒhrt) 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 VerlustverhĂ€ltnis und begrenzen den Wirkungsgrad). Frequenzerhöhung: Verlustzunahme. Die Leistungssteigerung betrĂ€gt nur 0,7 W bei einer Frequenzerhöhung von 20 kHz auf 40 kHz, wĂ€hrend 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 StromstĂ€rke und Temperatur, wĂ€hrend IGBTs eine konstante SĂ€ttigungsspannung beibehalten, aber Stromverluste am Ende des Betriebspunkts aufweisen. IV. Thermische Eigenschaften: WĂ€rmewiderstand (Rth(is)) Bis zu 0,5 K/W (Flip-Chip/CCP, kurzer WĂ€rmepfad) 1,5â2 K/W (traditionelles GehĂ€use mit geringer WĂ€rmeableitungseffizienz) Unterschiede in der Sperrschichttemperatur bei gleicher Leistungsaufnahme Niedrige GehĂ€usetemperatur (20â40 °C) (schnelle WĂ€rmeleitung, minimale WĂ€rmestauung) Die Temperatur ist zu hoch und kann den Ăberhitzungsschutz auslösen. KĂŒhlkörper erforderlich FĂŒr GerĂ€te unter 200 W ist kein KĂŒhlkörper erforderlich; die 1-kW-Lösung mit geschlossenem GehĂ€use macht einen KĂŒhlkörper ĂŒberflĂŒssig, wenn die StromstĂ€rke unter 18 A liegt. Systeme mit mittlerer und niedriger Leistung benötigen weiterhin KĂŒhlkörper, wĂ€hrend Hochleistungssysteme groĂflĂ€chige Kaltluft-/FlĂŒssigkeitskĂŒhlmodule benötigen. V. Systemdesignmerkmale Volumen passiver Komponenten Der Austausch eines 330-”F-Elektrolytkondensators durch einen 22-”F-Keramikkondensator reduziert die InduktivitĂ€t (wodurch die Anforderungen an die kapazitive InduktivitĂ€t bei hohen Frequenzen sinken). Verwendung von Elektrolytkondensatoren und InduktivitĂ€ten mit groĂem Volumen (was eine Stromwelligkeitssimulation bei niedrigen Frequenzen erfordert). Leistungsdichte (Ausgangsstrom). Die diskrete Lösung bietet ein um 3,5 A höheres effektives Strom-Wert-VerhĂ€ltnis (Si) und unterstĂŒtzt gleichzeitig eine höhere Belastbarkeit bei identischem Temperaturanstieg. Referenzwert (StromverstĂ€rkung begrenzt durch Leistungsverluste und WĂ€rmeabfuhr). Elektromagnetische Störungen. Hohe Integration (z. B. gekapselte HalbbrĂŒcke), die eine interne Motorintegration ermöglicht, um die KabellĂ€nge zu reduzieren und elektromagnetische Störungen zu minimieren. Diskrete Bauweise, lange KabellĂ€nge, starke elektromagnetische Abstrahlung bei hohen Frequenzen. VI. ZuverlĂ€ssigkeit und Temperaturtoleranz: Die Temperaturtoleranz ist deutlich höher als bei Si-basierten Bauelementen (stabilisierter Betrieb unter hoher Last). Niedrige Temperaturtoleranz, verkĂŒrzte Lebensdauer bei hohen Temperaturen (Arrhenius-Modell). Die Lebensdauer verdoppelt sich mit jedem Abfall der Sperrschichttemperatur um 10 °C (niedrigere Sperrschichttemperatur verlĂ€ngert die Lebensdauer). Hohe GehĂ€usetemperatur und relativ kurze Lebensdauer. Mittlere Betriebsdauer zwischen AusfĂ€llen (MTBF): Höher (geringe Verluste + geringe thermische Belastung, reduziertes Ausfallrisiko). Niedriger (höhere thermische Belastung und Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund von VerschleiĂ). Typische Hersteller und Lösungen fĂŒr GaN: TI DRV7308 Integrierter GaN-FET-Vortreiber mit Dreiphasenmodulation und feldorientierter Steuerung. 12 mm Ă 12 mm QFN-GehĂ€use mit einem Wirkungsgrad von ĂŒber 99% in 250-W-Motorantriebsanwendungen, wodurch ein KĂŒhlkörper ĂŒberflĂŒssig wird. Innosense Niederspannungslösung (48â60 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 HalbbrĂŒcken-GaN-Verkapselung, Gesamtverlust 12,3 W (Si-Schaltung 16,3 W) bei 40 kHz/20 A, kein KĂŒhlkörper erforderlich bis 18 A. Unternehmen wie Texas Instruments (TI), Infineon, Innosense, EPC und Nanoware entwickeln aktiv Anwendungen von Galliumnitrid (GaN) in humanoiden Robotern, insbesondere fĂŒr Motorantriebssysteme.