600-V-GaN-HEMTs von Texas Instruments Besser sperren als bei der Kaskode

GaN-HEMTs vom Verarmungstyp bieten gegenüber denen vom Anreicherungstyp wegen besserer elektrischer Parameter viele Vorteile beim Einsatz in Schaltnetzteilen. Doch viele Entwickler scheuen sich davor, die einzusetzen, da sie selbstleitend sind. Es gibt eine bessere Lösung als die bekannte Kaskode.

von Dr. Sheng-Yang Yu, Systems Applications Engineer bei Texas Instruments.

HEMTs (High Electron Mobility Transistors) auf der Basis von Galliumnitrid (GaN) verbessern den Wirkungsgrad von Leistungswandlern, denn sie zeichnen sich gegenüber Silizium-MOSFETs mit gleicher Nennspannung durch eine geringere Gate- und Ausgangsladung und einen niedrigeren Einschaltwiderstand aus.

In Gleichspannungswandlern für Busspannungen über 380 V sind selbstleitende GaN-HEMTs vom Verarmungstyp (Depletion Mode) weiter verbreitet als selbstsperrende Bausteine vom Anreicherungstyp (Enhancement Mode). Der Grund hierfür ist, dass Verarmungs-GaN-HEMTs einen wesentlich größeren Gate-Spannungsbereich bieten als Anreicherungs-GaN-HEMTs. Die selbstleitenden Eigenschaften der Verarmungs-GaN-HEMTs sind für die gängigen Schaltnetzteil-Anwendungen allerdings nicht günstig. Zwei kommerziell verfügbare Hochspannungs-GaN-Bausteine (Bild 1) nutzen Verarmungs-GaN-HEMTs in verschiedenen Konfigurationen, um die gewünschten selbstsperrenden Eigenschaften zu erzielen.

In beiden Bausteinen ist ein Hochspannungs-GaN-HEMT mit einem Niederspannungs-Silizium-MOSFET in Reihe geschaltet, aber es werden verschiedene Ansteuerverfahren eingesetzt. Ein Hochspannungs-GaN-Baustein mit synchroner Ansteuertechnik (Bild 1, links) – auch Kaskode genannt – verbindet den Gate-Anschluss des GaN-HEMTs mit dem Source-Pin des MOSFETs. So lässt sich durch Einschalten des MOSFETs der gesamte Baustein ein- und ausschalten. Eine klassische GaN-Kaskode kann sich in drei verschiedenen Zuständen befinden:

Vorwärts sperrend: Wenn UDS,device>0 und UGS,LV_Si<UGS(th),LV_Si ist, kann der GaN-HEMT entweder ein- oder ausgeschaltet sein – abhängig davon, ob UDS,device höher ist als die Schwellenspannung UGS(th),HV_GaN des GaN-HEMTs. Bei UGS(th),LV_Si handelt es sich um die Schwellenspannung des Si-MOSFETs. Da UGS,LV_Si<UGS(th),LV_Si ist, sperrt der MOSFET und führt somit keinen Strom. Ist UDS,device<|UGS(th),HV_GaN|, bleibt der GaN-HEMT eingeschaltet, sodass der MOSFET die UDS-Belastung des gesamten Bausteins trägt. Ist UDS,device≥|UGS(th),HV_GaN|, schaltet der GaN-HEMT ab und die Drain-Source-Spannung des GaN-HEMTs bleibt bei UDS,device+UGS(th),HV_GaN, wobei UGS(th),HV_GaN<0 ist.

Vorwärts leitend: Wenn UDS,device>0 und UGS,LV_Si≥UGS(th),LV_Si ist, ist der MOSFET eingeschaltet. Unabhängig davon, ob der GaN-HEMT vor dem Beginn des vorwärtsleitenden Zustands ein- oder ausgeschaltet war. Der leitende Zustand des MOSFETs sorgt dafür, dass UGS,HV_GaN≈0 ist und der GaN-HEMT einschaltet.

Rückwärts sperrend: Wenn UDS,device<0 und UGS,LV_Si<UGS(th),LV_Si ist, wird UGS,HV_GaN auf die Vorwärtsspannung der Body-Diode des MOSFETs geklemmt. Deshalb fließt ein Strom durch die Body-Diode des MOSFETs und den GaN-HEMT. Ist UDS,device<0 und UGS,LV_Si≥UGS(th),LV_Si, so schaltet der MOSFET ein und UGS,HV_GaN wird auf null gezogen. Aus diesem Grund fließt ein Strom durch die Drain-Source-Kanäle des MOSFETs und des GaN-HEMTs.

Im Unterschied zur klassischen Kaskode schaltet ein Hochspannungs-GaN-Baustein mit direkter Ansteuerung (Bild 1, rechts) den Niederspannungs-MOSFET nur dann ein, wenn seine Versorgungsspannung UDD über den UVLO-Schwellwert (Undervoltage Lockout) ansteigt. Die Funktionsweise des Bausteins lässt sich anhand der beiden folgenden Bedingungen analysieren:

Ohne angelegte UDD: Liegt am Baustein keine UDD an, nachdem eine positive Drain-Source-Spannung UDS,device angelegt wurde, bleibt UGS,HV_GaN null, und der UDS-Wert des MOSFETs beginnt anzusteigen. Steigt UDS auf UGS(th),HV_GaN an, so schaltet der GaN-HEMT ab und wird mit der Spannung UDS,device+UGS(th),HV_GaN belastet. Dieser Betriebszustand ähnelt dem vorwärtssperrenden Zustand der Kaskode.

Mit angelegter UDD: Nachdem der Baustein durch das Anlegen von UDD eingeschaltet wurde, kann der Gate-Treiber eine negative Spannung zum direkten Abschalten des GaN-HEMT erzeugen. Hat der Gate-Treiber die Kontrolle über den GaN-HEMT übernommen, kann der Silizium-MOSFET dauerhaft eingeschaltet bleiben, bevor UDD entfernt oder ein Fehler erkannt wird.