Texas Instruments / Galliumnitrid Keine Explosionen mehr durch integrierte GaN-Transistoren

Eine Lebensweisheit von Leistungselektronikern lautet: Erfolg kommt nur die durch die Lehren aus vielen zerstörten Bauteilen. Doch sind Galliumnitrid-Transistoren genauso anfällig für Ausfälle wie Silizium-MOSFETs? Unser Autor hat moderne 600-V-GaN-Schalter einem Praxistest unterzogen.

von Lixing Fu, Applications Engineer bei Texas Instruments.

Anfangs waren Ausfälle bei GaN-Transistoren ebenfalls an der Tagesordnung. Deutlich strengere Anforderungen an das Design der Gate-Leiterschleife, wesentlich steilere Spannungsanstiege und die Auswirkungen der Common-Source-Induktivität machten die Schaltungen viel anfälliger gegen Streukomponenten und Störgrößen. Als ich die ersten Muster der 600-V-GaN-Bauteile von Texas Instruments auf den Tisch bekam, war ich angesichts meiner früheren Erfahrungen gespannt, wie robust die Komponenten im Praxiseinsatz sein würden. Vor allem interessierte mich, wie sich diese Funktionen auf die althergebrachte Lebensweisheit über das Prototyping und Debugging von Schaltungen auswirken würde.

»Shoot-through« standgehalten

Kürzlich entwickelte ich einen Interleaved-Wandler und setzte dabei zwei Halbbrücken-EVMs (Evaluation Modules) des Typs LMG3410-HB-EVM von TI ein, gesteuert von einem digitalen PWM-Controller vom Typ UCD3138. Als die beiden versetzt arbeitenden Halbbrücken gemeinsam in Funktion waren, stellte ich fest, dass auf dem PWM-Signal wiederholt steile Spannungsspitzen mit du/dt-Werten von 100 V/ns auftraten, die zu einem »Shoot through« (beide Transistoren einer Halbbrücke sind gleichzeitig leitend) durch die GaN-Schalter mit 480 V führten und den integrierten Überstromschutz ansprechen ließen (Bild 1).

Die meisten Schalter wären in dieser Situation ausgefallen, aber durch die integrierte Leistungsstufe des LMG3410 konnte ich die Fehlersituation wiederholt durchzuspielen, ohne dass die empfindlichen Bauteile Schaden nahmen. So konnte ich die Ursache schnell einkreisen. Mit traditionellen Bauelementen wäre dies nur sehr schwierig und wohl nur auf unsicherem Weg möglich gewesen.

Ich variierte die Anstiegsgeschwindigkeit mithilfe des Pins RDRV am LMG3410 und fand heraus, dass die Schaltung bei 50 V/ns oder 100 V/ns im einphasigen Betrieb robust lief, mit 100 V/ns im zweiphasigen Betrieb dagegen nicht. Als Ursache dafür ermittelte ich eine Signalverunreinigung durch Gleichtaktstörungen und ein nicht optimiertes Layout der Peripherieschaltungen des Controllers. Dies führte zu einer Fehlsynchronisation der Takte der verschiedenen PWM-Kanäle (Bild 2).

Der digitale Signalisolator ISO7831 von TI bietet eine hinreichend hohe Beständigkeit gegen Gleichtakttransienten (Common Mode Transient Immunity, CMTI) von über 100 V/ns. Die isolierte Stromversorgung, die meist eine deutlich größere Gleichtaktkapazität aufweist, würde aber bei hohen du/dt-Werten mit Leichtigkeit Störungen von der Spannung am Schaltknoten in die steuerungsseitige Masse koppeln (Bild 3). Beim gleichzeitigen Betrieb mehrerer Phasen würden entsprechend mehr Gleichtaktstörungen in die Steuerungsseite injiziert werden.

Entwickler von Stromversorgungen über-sehen diese Tatsache häufig, da Silizium-MOSFETs und auch einige GaN-FETs mit externen Treibern nicht auf so hohe Anstiegsgeschwindigkeiten kommen. Mir gelang die Lösung dieses Problems, indem ich zusätzliche Gleichtaktdrosseln an der isolierten Stromversorgung des oberen FET anordnete und die Entkopplungsschleife des digitalen Controllers verbesserte, um das »Ground Bouncing« und die Einkopplung von Störungen am Controller zu verringern. Dank der integrierten Schutzfunktionen des LMG3410 kam es bei mir während des gesamten Debuggings zu keinem einzigen Totalausfall, obwohl wiederholte, durch Gleichtaktstörungen bedingte Fehler, auftraten.

Kein Schaden trotz Lüfterausfall

Abgesehen von Überstromfehlern sind auch Übertemperaturereignisse ein gängiges Phänomen in Leistungswandlern. Erfahrene Entwickler können im thermischen Design noch so gut sein – es bleibt dennoch eine Herausforderung, die Sperrschicht eines Halbleiters kühl genug zu halten, und der Spielraum für Fehler ist gering. Im Laufe der Zeit können Vorkommnisse wie etwa Lüfterausfälle oder Mängel am Kühlkörper zu katastrophalen Ausfällen führen. Daher verfügt der LMG3410 über einen integrierten Übertemperaturschutz. Und dieser war tatsächlich meine Rettung, als die Stromversorgung meines Lüfters zufällig ausfiel.

Die Ansprechschwelle des Überhitzungsschutzes ist auf +165 °C eingestellt. Dies bietet ausreichend Spielraum für kurze Übertemperaturen, schützt die Komponente aber vor dauerhaften Schäden durch Ausfälle des Kühlsystems.

GaN bietet Vorteile hinsichtlich der Effizienz, der Abmessungen und der Kühlung eines Systems, doch seine hohe Schaltgeschwindigkeit und -frequenz bringt zusätzliche Herausforderungen mit sich. Dank der Schutzfunktionen und der weiteren integrierten Features der GaN-Produkte von TI gelten die üblichen Lebensweisheiten beim Einsatz von Si-MOSFETs nicht mehr, doch dafür müssen wir uns mit den Besonderheiten beim Design von Schaltwandlern mit hohen Schaltfrequenzen auseinandersetzen. Die Produkte schützen nicht nur das Bauelement selbst vor dauerhafter Beschädigung, während wir unsere neuen Designs debuggen. Zusätzlich machen sie die Designs robuster, indem sie im Langzeitbetrieb eine Überlastung des Gates verhindern, denn der integrierte Treiber verringert die Oszillationen am Gate.