Hochfrequent schaltende Leistungskonverter basierend auf AlN-Leistungstransistoren

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Sibylle Dieckerhoff; Dr. Oliver Hilt; Dr.-Ing. Andreas Wentzel
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 462718666

Laterale Transistoren auf GaN-Basis ermöglichen hervorragende Schaltgeschwindigkeiten und geringe Schaltverluste in Leistungskonvertern bis 600 V. Beschränkungen von der Material-, bis zur Systemebene verhindern jedoch nach wie vor, dass die Grenzen des Materials hinsichtlich Sperrspannung, Stromdichte und Geschwindigkeit erreicht werden. Ziel des Projekts ist es, die Schaltgeschwindigkeiten von GaN Schaltern an ihre intrinsische Grenzen zu führen und über neue Ansätze in der Epitaxie, der monolithischen und hybriden Integration, der Sensorik und des Systemdesigns effiziente Konverter für kW Leistungen im 600 V Bereich und für den100 V Bereich bei VHF-Schaltfrequenzen zu demonstrieren. Der Übergang von der üblichen GaN-auf-Si Epitaxie zu einem AlN-auf-SiC Ansatz ermöglicht es, die inhärenten Dispersionsprobleme des GaN-auf-Si Konzepts zu vermeiden. Das elektrisch isolierende SiC Substrat ermöglicht die monolithische Integration von Halbbrücken auch bei hohen Spannungen und ohne Backgating Effekte. Durch die AlN/GaN/AlN Heterostruktur wird die Sperrfähigkeit und die Stromdichte der Leistungsschalter erhöht. Die monolithische Integration von Schaltungszellen stellt einen effizienten Lösungsansatz dar, Schwingungen bei hohen Schaltgeschwindigkeiten und damit verbundenen Verluste aufgrund parasitärer Induktivitäten zu unterbinden. Die Begrenzungen hinsichtlich Performance und Schaltgeschwindigkeit sollen durch die Kombination von HF- und Leistungselektronik-Technologien und Entwurfsmethoden überwunden werden. Für geschaltete HF- als auch für leistungselektronische Anwendungen wollen wir die Vorteile neuartiger Integrationsschemata für Halbleiter auf Basis von GaN-AlN demonstrieren. Dazu wollen wir das synergetische Zusammenwirken zwischen monolithischen und speziellen hybriden Integrationsansätzen untersuchen. Wir wollen außerdem verschiedene Sensorfunktionalitäten wie Drain-Bias- und Stromsensoren monolithisch mit den Leistungstransistoren integrieren und diese Informationen für einen sicheren und effizienteren Betrieb von Leistungskonvertern und -verstärkern einsetzen. Der verlustreiche intrinsische rückwärtsleitende Pfad in GaN-HFETs wird durch eine aktive Totzeitsteuerung auf Basis derartiger Sensoren vermieden.Monolithisch integrierte Treiber, bidirektionale Schalter, Halbbrücken und Sensoren werden für ein neues Design- und Steuerungskonzept eines isolierten 400-V-DC-DC-Wandlers im kW-Bereich demonstriert. Es wird weiter gezeigt, dass die derzeitigen Hindernisse der zentralen GaN-Chips für VHF-DC-Wandler und Buck-Konverter als Hüllkurvenmodulator bis zum GHz-Schaltbereich überwunden werden können, d.h. Dispersionseffekte, die zu einemhochdynamischen Ron führen, und das Fehlen unterschiedlicher Transistorvariationen auf einem Chip, das hocheffiziente integrierte Treiber und für den Schaltbetrieb optimierte Transistoren verhindert.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2312: Energieeffiziente Leistungselektronik "GaNius"