Netzteile im Chipmaßstab in GaN: Monolithische GaN-Analog- und Mixed-Signal-Schaltungen für hocheffiziente und hochintegrierte Power-Factor-Correction (PFC) Spannungswandler

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bernhard Wicht
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 546122684

Netzbetriebene Anwendungen wie Desktop-Computer, Fernsehgeräte, industrielle Stromversorgungen und Telekommunikationsinfrastruktur (5G/6G) haben einen steigenden Bedarf an höherer Energieeffizienz und Leistungsdichte. Trotz der moderaten Leistung (100 W), summiert sich der jährliche Verbrauch aufgrund hoher Geräteanzahl und langen Laufzeiten zu vielen TWh. Folglich leistet ein hohe Energieeffizienz einen entscheidenden Beitrag zur Senkung des weltweiten Energieverbrauchs, was eine starke Motivation für die vorgeschlagene Forschung ist. Mit dem Trend zu flacheren Bildschirmen und kleineren Desktop-Computern müssen auch die Stromversorgungen kompakter werden. Beide Ziele profitieren von der monolithischen GaN-Technologie, die geringe Verluste, hohe Schaltgeschwindigkeiten und eine kompakte Systemgröße ermöglicht. Die vorgeschlagene Forschung zielt auf die monolithische GaN-Integration einer schnell schaltenden Spannungswandler-Topologie zusammen mit einer Analog-/Mixed-Signal-Regelung, um herkömmliche, großvolumige Stromversorgungen im 75-200-W-Bereich zu ersetzen. Normen verlangen hierfür eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC). Besonders profitiert die Totem-Pole-PFC-Wandler (TPPFC) Topologie von den Eigenschaften von GaN, dessen Einsatz sich als diskreter Aufbau bisher auf Leistungen im kW-Bereich konzentriert. Der TPPFC kann jedoch mithilfe der 650V GaN-on-SOI-Technologie von imec, die über MPW-Runs verfügbar ist, durch monolithische GaN-Integration auch für den 75-200W Bereich erschlossen werden. Der Entwurf der Leistungsstufe für dieses Projekt stützt sich auf umfangreiche Erfahrung des Antragstellers mit GaN-ICs. Durch die Integration von Analog-, Mixed-Signal- und Leistungsschaltungen auf einem GaN-IC werden die parasitären Elemente und die Anzahl der Pins erheblich reduziert, was eine Spannungswandlung bei Schaltfrequenzen von über 1MHz ermöglicht. Ein Ziel dieser Forschung ist es, den Grad der Komplexität zu bestimmen, der mittels GaN-ICs aus Sicht des Schaltungsentwurfs unter den derzeitigen technologischen Möglichkeiten erreicht werden kann. Nicht-Leistungsschaltungen (analog / mixed-signal) in GaN sind ein aktuelles Forschungsthema mit hohem Potenzial für Regelkreis-Schaltungsblöcke wie Verstärkerstufen und Spannungsreferenzen. Die GaN-Technologie birgt hierbei noch große Herausforderungen, z.B. in Bezug auf Parametervariation und Analogeigenschaften, und es fehlt ein geeigneter p-Kanal-Transistor. Daher liegt der Schwerpunkt in diesem Projekt auf analogen und Mixed-Signal-Schaltungen in GaN, insbesondere auf innovativen Ansätzen, um p-Typ-Bauelemente als aktive Last zu ersetzen. Vorarbeiten der Gruppe des Antragstellers deuten darauf hin, dass ein Switched-Capacitor-Ansatz mit einem n-Kanal-Transistor ein Ersatz für das p-Typ-Bauelement sein könnte. Die angestrebte Forschung wird in einem TPPFC-GaN-IC demonstriert, der eine Leistungsstufe und die erforderlichen Mess- und Regelungsschaltungen enthält und bei >400 V und >1 MHz schaltet.

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