System-in-Package-Leistungshalbbrücke mit integrierter GaN-Technologie

Die hochdichte Leistungswandlung in Schaltnetzteilen stößt bei herkömmlichen Silizium-MOSFETs bei höheren Schaltfrequenzen an thermische Grenzen und Restriktionen bezüglich des Leiterplattenplatzes. Halbleiterbauelemente mit breiter Bandlücke überwinden diese Einschränkungen. Mit der Einführung von MasterGaN7 durch STMicroelectronics werden zwei selbstsperrende 650-V-Galliumnitrid-Leistungstransistoren (GaN) mit einem dedizierten Hochvolt- und Hochfrequenz-Gatetreiber kombiniert, um parasitäre Induktivitäten sowie Herausforderungen beim Treiberlayout in Netzteilen, industrieller Beleuchtung und Anlagen für erneuerbare Energien zu lösen.

Systemarchitektur und Funktionsprinzipien
Der Betrieb bei hohen Schaltgeschwindigkeiten setzt diskrete GaN-Transistoren parasitären Induktivitäten auf Leiterplattenebene aus, was zu Spannungsspitzen und instabilem Schaltverhalten führen kann. MasterGaN7 eliminiert lange Gate-Leiterbahnen durch die Einbettung der High-Side- und Low-Side-650-V-GaN-Transistoren zusammen mit ihrer Ansteuerschaltung in einem einheitlichen QFN-Gehäuse mit den Abmessungen 9 mm x 9 mm.

Das System-in-Package enthält integrierte Low-Dropout-Spannungsregler (LDO), die sowohl den High-Side- als auch den Low-Side-Treibern ein stabilisiertes Gate-Ansteuerpotenzial bereitstellen. Die interne Stabilisierung der Gate-Spannung verhindert Überspannungsbelastungen des Gate-Dielektrikums und schließt Untersteuerungszustände aus, welche die Durchlassverluste erhöhen würden. Eine integrierte Bootstrap-Diode speist den schwebenden High-Side-Treiberteil, was den Bedarf an externen Bauelementen weiter reduziert.

Das Bauteil weist eine Gesamttreiber-Signallaufzeit von 45 ns auf und unterstützt Schaltfrequenzen von bis zu 2 MHz. Um strenge Energieeffizienzvorgaben im Leerlaufbetrieb zu erfüllen, reduziert ein über Pins gesteuerter Abschaltmodus die Leistungsaufnahme bei Nulllast mit einer schnellen Aufweckfunktion. Eine integrierte Verriegelungslogik verhindert das gleichzeitige Leiten der High-Side- und Low-Side-Schalter, während eine integrierte Unterspannungsabschaltung (UVLO) und ein thermischer Überlastschutz das Bauteil vor Spannungseinbrüchen und Überhitzung schützen.

Technische Daten
Die Leistungsstufe besteht aus zwei selbstsperrenden 650-V-GaN-Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT), die in einer Halbbrückentopologie angeordnet sind und einen maximalen Dauer-Drainstrom von 6 A unterstützen. Angesteuert durch eine integrierte Hochspannungsschaltung arbeitet das Gehäuse bei Schaltfrequenzen von bis zu 2 MHz mit einer abgestimmten Signallaufzeit von 45 ns und verarbeitet standardmäßige Logiksteuersignale von 3,3 V bis 15 V mit integrierter Eingangshysterese. Die Zuverlässigkeit auf Hardwareebene wird durch eine integrierte Unterspannungsabschaltung, eine thermische Abschaltung bei Übertemperatur sowie eine Verriegelungsschaltung gegen Querströme verstärkt. Untergebracht in einem standardmäßigen oberflächenmontierbaren QFN-Gehäuse der Größe 9 mm x 9 mm behält das Bauelement seine Betriebsstabilität über einen industriellen Sperrschichttemperaturbereich von -40 °C bis 125 °C bei, wobei die Serienpreise bei 3,83 US-Dollar für Bestellungen ab 1.000 Stück beginnen.

Industrielle Implementierung und Schaltungstopologien
Der Betrieb von Leistungsstufen bei Frequenzen von bis zu 2 MHz ermöglicht es Entwicklern, die Baugröße reaktiver passiver Komponenten wie Planartransformatoren, Resonanzdrosseln und Filterkondensatoren deutlich zu verkleinern. MasterGaN7 lässt sich in zahlreiche primäre Wandlerarchitekturen integrieren, darunter Active-Clamp-Flyback-, asymmetrische Halbbrücken-, resonante LLC-Wandler, synchrone inverse Abwärtswandlerstufen, Leistungsfaktorkorrektur-Vorregler (PFC) sowie Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichter.

Typische Einsatzbereiche umfassen USB-Type-C-Power-Delivery-Netzteile, Kompaktladegeräte, industrielle Vorschaltgeräte, Bühnenbeleuchtungssysteme und Photovoltaik-Mikrowechselrichter. Die einheitliche Pinbelegung und Grundfläche innerhalb der MasterGaN-Familie ermöglichen es Ingenieurteams, Nennströme über standardisierte Leiterplattenlayouts hinweg zu skalieren, ohne die Basishardware neu entwerfen zu müssen. Die Entwicklung und das Prototypentesten werden durch das Evaluierungsboard EVLMG7 unterstützt.

Zusätzlicher Kontext:
Dieser Abschnitt enthält technische Spezifikationen und Wettbewerbsvergleiche, die nicht in der ursprünglichen Produktankündigung enthalten waren.

Der Übergang von diskreten Silizium-Superjunction-MOSFETs zu monolithischen und gemeinsam gehäusten GaN-Stufen wird durch weltweite Effizienzvorschriften vorangetrieben, darunter die EU-Ökodesign-Richtlinie sowie die standardisierten EU-Vorgaben für universelle USB-C-Ladeanschlüsse (Richtlinie 2022/2380). Diskrete GaN-Implementierungen leiden häufig unter parasitären Gehäuseinduktivitäten, die bei Frequenzen über 500 kHz Schwingungen und elektromagnetische Interferenzen verursachen. Integrierte Halbbrücken-Systems-in-Package lösen dieses Layout-Problem, indem sie die Flächen der Gate-Schleifen auf unter wenige Millimeter begrenzen.

Innerhalb der 650-V-Halbbrückenklasse konkurriert MasterGaN7 mit integrierten Plattformen wie den GaNFast-Halbbrücken-ICs von Navitas Semiconductor und den HiperLCS-Lösungen von Power Integrations. Während Navitas GaNFast-ICs autonome Treiber und verlustfreie Strommessung direkt in einzelnen Leistungsstufen integrieren, behält die Architektur des MasterGaN7 unabhängige digitale Steuereingänge für High-Side und Low-Side bei. Dies gewährleistet volle Flexibilität für Mikrocontroller von Drittanbietern und externe analoge Controller, die Spitzenstromregelungen oder Algorithmen für Sanftschalten (ZVS) ausführen, ohne proprietäre PWM-Controller vorauszusetzen. Während eigenständige diskrete GaN-HEMTs zudem externe Linearregler oder spezialisierte Multi-Rail-Gate-Treiber-ICs erfordern, um einen dielektrischen Gate-Durchbruch zu verhindern, verfügt MasterGaN7 über fest integrierte LDOs, die herkömmliche Systemversorgungsspannungen direkt aufnehmen.

Bearbeitet von Sucithra Mani, Induportals-Redakteurin – angepasst durch KI.

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