WBG-Leistungsschalter für effiziente Leistungsumwandlung

Neu entwickelte Leistungsschalter mit breiter Bandlücke (Wide-Band-Gap, WBG) sollen den heutigen, erhöhten Anforderungen entsprechen. Mit Breitlücken-Bauteilen statt konventioneller Silizium-Leistungshalbleiter lässt sich die typische Effizienz von DC/DC-Wandlern von etwa 85% auf nahezu 95% und die typische Effizienz von DC-AC-Umrichtern von 96% auf 99% steigern.

Unter den WBG-Bauteilen, die heute auf dem Markt erhältlich sind, bieten GaN-HEMT-Transistoren (Galliumnitrid High Electron Mobility) mit Spannungswerten von bis zu 600 V Vorteile gegenüber Silizium-basierten Alternativen wie Superjunction-Transistoren. Dazu zählt zum Beispiel eine weitaus niedrigere Eingangs- und Ausgangskapazität (C_iss und C_oss), was Schaltverluste reduziert. Zudem sind die Auswirkungen des Miller-Effekts bei einem GaN-Transistor sehr viel geringer als bei einem MOSFET mit vergleichbarem R_DS(ON), sodass sich ein GaN-Bauteil sehr viel schneller ein- und ausschalten lässt. Das ermöglicht wiederum die Nutzung kleinerer Transformatoren und passiver Komponenten. Hinzu kommt, dass der geringere On-Widerstand pro Die-Fläche Leitungsverluste reduziert. Designer profitieren somit von diversen Vorteilen in Bezug auf Energieeffizienz, Bauteilgröße sowie Kosten und Größe von Kühlkörpern und anderen Wärmemanagementkomponenten.

Marktentwicklung von GaN

Bis vor Kurzem war GaN-Technologie noch erheblich teurer als die gängigeren Silizium-basierten Alternativen. Zudem optimierte die Entwicklung des Superjunction-Transistors die sogenannte Figure-of-Merit von Siliziumtechnologie, was der umfassenden Verbreitung von GaN-Bauteilen entgegenstand. Mittlerweile ist GaN durch Weiterentwicklung und Größenvorteile jedoch wirtschaftlich rentabler. Hinzu kommt die steigende Nachfrage nach höherer Performance und Effizienz bei der Leistungsumwandlung. Deshalb kommen GaN-Bauteile heute immer häufiger zum Einsatz.

Es gibt zwei Arten von GaN-Leistungstransistoren. Jene vom Verarmungstyp sind selbstleitend und erfordern eine negative Gate-Spannung gegenüber den Drain- und Source-Elektroden zum Ausschalten. Der Anreicherungstyp ist selbstsperrend und schaltet sich durch eine positive Gate-Spannung ein.

Bild 1: Eine Kaskodenkonfiguration kombiniert die Leistungsvorteile von GaN mit selbstsperrenden Eigenschaften. Gan Systems

Der Verarmungstyp bietet eine bessere Performance und Widerstandsfähigkeit, bringt jedoch die Gefahr von Kurzschlüssen beim Start mit sich. In einer Halbbrückentopologie, bei der sowohl der untere als auch der obere Schalter ein GaN-FET vom Verarmungstyp ist, müssen die Gate-Steuerschaltungen beispielsweise zunächst gestartet werden. Sie liefern damit eine negative Vorspannung und sorgen dafür, dass die Transistoren ausgeschaltet bleiben. Dadurch entsteht beim Hochfahren des DC-Busses kein Kurzschluss. Eine Alternative ist die Verwendung eines GaN-Transistors vom Verarmungstyp in Kaskodenkonfiguration, kombiniert mit einem Silizium-MOSFET mit niedriger Spannung. Wie Bild 1 zeigt, ist die GaN-Transistor-Source mit dem Silizium-MOSFET-Drain und die Silizium-MOSFET-Source mit dem GaN-Transistor-Gate verbunden. Wird keine Vorspannung an das Silizium-MOSFET-Gate angelegt, versorgt die Drain-Source-Spannung (V_ds) das GaN-Transistor-Gate mit negativer Vorspannung, sodass das Bauteil ausgeschaltet bleibt. Kombinierte Kaskoden-GaN-Leistungstransistoren wie der NTP8G202NG von ON Semiconductor sind bereits erhältlich.

Ein GaN-HEMT vom Anreicherungstyp ist selbstsperrend und eliminiert damit die Kurzschlussgefahr beim Start. Der GS66516B von Gan Systems mit 650 V ist beispielsweise für eine niedrige Gate-Spannung von nur 0 bis 6 V und hohe Überspannungen am Gate von -20 bis +10 V geeignet und vereinfacht so die Entwicklung weiter. Mit sechs Kontakten und einem Gehäuse zur Unterseitenkühlung sowie einem geringen On-Widerstand von 25 mΩ ist er für eine Drain-Source-Spannung von bis zu 10 A geeignet und bietet eine Schaltfrequenz von bis zu 10 MHz.

Mehr Informationen zum Schaltkreisdesign finden Sie auf der nächsten Seite.

Schaltkreisdesign

Wie alle Leistungshalbleiter benötigen auch GaN-Transistoren einen geeigneten und entsprechend konfigurierten Gate-Treiber, um schnelles und vollständiges Ein- und Ausschalten ohne Probleme zu ermöglichen. Ein solcher Treiber muss in der Lage sein, die Gate-Kapazität des Transistors schnell aufzuladen, um das Bauteil ohne Überschwingen einzuschalten. Beim Ausschalten muss er das Gate schnell entladen – ebenfalls ohne Überschwingen. Eine konsistente Leistung und geeignete Taktsteuerung sind unerlässlich, um Kurzschlüsse durch Überstrom in Brückenkonfigurationen zu vermeiden.

Beim Einsatz von GaN-Bauteilen müssen Entwickler drei wichtige Faktoren berücksichtigen: die maximal zulässige Gate-Spannung, die Gate-Schwellenspannung und der Spannungsabfall der Body-Diode. Die Gate-Source-Spannung für ein GaN-Bauteil vom Anreicherungstyp, wie den GS66516B, beträgt 6 V oder etwa die Hälfte eines vergleichbaren MOSFET, weshalb sich die erforderliche Spannung zum Ein- und Ausschalten einfacher generieren lässt. Die Gate-Spannung hat zudem einen niedrigeren Temperaturkoeffizienten, was die Treiberkompensierung vereinfacht. Der Durchlassspannungsabfall der eingebetteten Body-Diode des Transistors ist etwa 1 V höher als bei vergleichbaren Silizium-MOSFETs.

Im Allgemeinen geht das Einschalten mit GaN etwa vier Mal schneller als bei MOSFETs mit dem gleichen R_DS(ON), auch die Ausschaltzeiten sind doppelt so schnell. Das ist zwar vorteilhaft auf der System-Ebene, erfordert jedoch zusätzliche Sorgfalt im Hinblick auf die Dynamik des Treibers und der zugehörigen Schaltung. dV/dt-Anstiegsraten können höher als 100 V/ns sein, was sich unter Umständen negativ auf die Effizienz auswirkt, da dies beim Schaltübergang eine Durchzündung zwischen gekoppelten Bauteilen in einer Brücke verursachen kann.

Um das zu verhindern, können Entwickler den Pull-up-Widerstand des Gate-Treibers anpassen, um die schnellste gewünschte Übergangszeit ohne andere unerwünschte Verlustmechanismen zu erreichen. Dadurch lässt sich ein gleichzeitiges Nach- und Überschwingen vermeiden, was wiederum Probleme mit fehlerhaftem Ein-/Ausschalten verhindert und vor EMI schützt. In der Praxis kann es zudem erforderlich sein, Ferritperlen in Reihe mit dem Gate hinzuzufügen, um Hochfrequenz-LC-Nach- und -Überschwingen zu reduzieren. Eine weitere Möglichkeit ist ein RC-„Snubber“ über den Gate-Source-Pfad hinweg.

Bild 2: Voraussetzungen zum Einschalten von GaN-Transistoren. Gan Systems

Bild 2 zeigt das Einschaltverhalten des GaN-Transistors und die nötigen Voraussetzungen für den zuverlässigen Betrieb. Bild 3 zeigt das Ausschaltverhalten.

Bild 3: GaN-Transistor beim Ausschalten. Gan Systems

Bild 4: Durch die unabhängige Optimierung des Ein- und Ausschaltwiderstands lassen sich unerwünschte Effekte minimieren. Gan Systems

Für GaN-Bauteile mit niedriger Schwellenspannung kann der Pull-up-Widerstand für die Ein- und Ausschaltbedingungen individuell optimiert werden, indem die Gate-Pull-up- und -Pull-down-Verbindungen im Treiber einfach gesplittet werden, um das Einsetzen eines diskreten Widerstands zu ermöglichen (Bild 4).

Beim Einschalten liegt der Gate-Widerstand normalerweise zwischen 10 und 20 Ω. Wenn er zu hoch ist, wird die dV/dt-Anstiegsrate beim Einschalten reduziert, was zu langsamerem Schalten und höheren Verlusten führt. Ist im Gegenzug die Anstiegsrate zu niedrig, können durch den Miller-Effekt beim Einschalten Schaltverluste oder potenzielle Gate-Schwingung auftreten. Ein Gate-Widerstand von 10 bis 20 Ω benötigt beim Einschalten für robustes Pull-down mit minimaler Impedanz zum Ausschalten in der Regel einen Widerstand von etwa 1 bis 2 Ω.

Wie man den richtigen Gate-Treiber wählt, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Auswahl eines Gate-Treibers

Ein Gate-Treiber-IC wie der TI LMG1205 ist in vielerlei Hinsicht für GaN-Transistoren geeignet. Gleichzeitig erlaubt er dem Nutzer, das Design an das ausgewählte Bauteil, die Schaltgeschwindigkeit und andere Faktoren anzupassen. TI konzipierte den LMG1205 für den Einsatz mit Bauteilen vom Anreicherungstyp. Entwickler können ihn für den High-Side- und Low-Side-Schalter in einer synchronen Abwärts-, Aufwärts- oder Halbbrückenkonfiguration nutzen. Unabhängige Eingänge für die High-Side- und Low-Side-Ausgänge bieten Flexibilität für Entwickler. Der Treiber verfügt über eine Source-Kapazität von bis zu 1,2 A und eine Sink-Kapazität von bis zu 5 A, um ein ungewolltes Einschalten beim Übergang zu verhindern. Zudem verfügt er über Split-Gate-Ausgänge, sodass sich die Stromstärke für jedes Gehäuse einzeln optimieren lässt.

Hinzu kommt, dass der LMG1205 eine Verzögerungszeit von 35 ns bietet. Das gewährleistet eine hohe Effizienz und vermeidet zudem die Durchzündung beim Einsatz mit High-Side- and Low-Side-Schaltern. Zwischen den Kanälen beträgt diese höchstens 1,5 ns.

Neben dem LMG1205 gibt es Alternativen wie die Silicon Labs Si827x-Serie, die Analog Devices ADuM4223A/B-Produktfamilie und den Maxim MAX5048C, die die Unternehmen speziell als Treiber für GaN-Bauteile entwickelten. Zudem können Designer vorhandene MOSFET-Treiber nutzen, die über eine geeignete Leistung und entsprechende Merkmale sowie eine relativ geringe Schaltfrequenz verfügen.

Neben der Wahl des am besten geeigneten Treibers und dem Design der entsprechenden Schaltung müssen Designer auch all die typischen Herausforderungen berücksichtigen, um das richtige Schalten von Leistungshalbleitern sicherzustellen. Ein Beispiel ist die Optimierung von Schaltungslayout und Leiterbahnen, um die Streuinduktivität zu minimieren. Zudem muss das Design den Treiber möglichst nahe am Transistor-Gate positionieren, um die externe Gate-to-Drain-Kopplung zu vermeiden. Um die Common-Source-Induktivität zu minimieren, kann ein Kelvin-Source-Anschluss erforderlich sein, und die galvanische Trennung von Stromversorgungsschienen müssen Entwickler unter Umständen ebenfalls in Betracht ziehen.

(prm)