Power-Management-ICs Neues Umfeld für isolierte Gate-Treiber

Viele Jahre lang verlief die Auswahl der geeigneten Power-Switch-Technologie für Stromversorgungen recht geradlinig. Für niedrigere Spannungen (normalerweise bis 600 V) waren MOSFETs de fakto die Wahl, während höhere Spannungen typischerweise die Domäne der IGBTs waren.

Mit dem Aufkommen neuer Power-Switch-Technologien in Form von Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) könnte sich der bisherige Status quo bei Stromversorgungen verändern. Diese neuen Switching-Technologien bieten mehrere wesentliche Vorteile im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit. Höhere Schaltfrequenzen ermöglichen zum Beispiel die Entwicklung kleinerer und leichterer Systeme.

Wichtig ist dies, wenn Zielmärkte wie Automotive und Photovoltaik-Wechselrichter für Energieanwendungen wie Solarpanels adressiert werden sollen. Durch eine Erhöhung der Schaltfrequenzen von 20 auf 100  kHz lässt sich das Gewicht der verwendeten Transformatoren erheblich reduzieren. Dies gestattet die Entwicklung leichterer Motoren für Elektrofahrzeuge und erhöht die mögliche Reichweite. Ferner lassen sich mit höheren Schaltfrequenzen die Abmessungen von Wechselrichtern für Solar-Anwendungen reduzieren. Dadurch steigt deren Akzeptanz im Heimbereich. Zusätzlich vereinfachen höhere mögliche Betriebstemperaturen (speziell für GaN-Bauteile) und geringere Anforderungen beim Einschalten die Entwicklungsarbeit.

Im Falle von MOSFETs/IGBTs lassen sich mit den neuen Technologien, zumindest anfangs, verschiedene Applikationsanforderungen erfüllen. Bis vor kurzem waren GaN-Produkte typischerweise für den Bereich 200 V erhältlich. In den letzten Jahren jedoch hat sich dieses Szenario rasant verändert und es kamen mehrere Angebote im Bereich 600 V auf den Markt. Dies dehnt sich jedoch noch immer nicht auf den Hauptbereich für SiC-Produkte aus, die näher am 1000-V-Bereich liegen. Dies legt potenziell die Vermutung nahe, daß GaN das natürliche Erbe von MOSFETs antritt und SiC-Komponenten die Rolle als Ersatz für IGBTs einnehmen. Genau wie SJ-MOSFETs die Kluft hin zu Anwendungen mit Spannungen bis 900 V überbrückt haben, sollte es nicht überraschen, dass aus manchen GaN-Entwicklungen langsam Bauteile hervorgehen, die sich für Anwendungen mit Spannungen über 600 V eignen.

Obwohl die jeweiligen Vorteile aus GaN- und SiC-Power-Switches eine attraktive Alternative für Entwickler darstellen, gibt es diese, wie immer bei neuen Technologien, nicht kostenlos. An erster Stelle stehen die Kosten der Bausteinpreise, die die Kosten für MOSFETs/IGBTs um ein Mehrfaches übersteigen.

Die IGBT- und MOSFET-Produktion ist optimal entwickelt und wird von den Herstellern beherrscht. Dies bedeutet, dass die Prozesse im Hinblick auf die Kosten hoch optimiert sind und gegenüber ihren neuen Herausforderern eine gute Position einnehmen. Derzeit sind SiC- und GaN-Bauteile, obwohl sie, verglichen mit ihren traditionellen Rivalen, ständig wettbewerbsfähiger werden, noch immer um ein Vielfaches teurer. Viele Experten und Marktberichte brachten zum Ausdruck, dass die Kluft in der Preisgestaltung erst fast vollständig geschlossen werden muss, bevor es zu einem breiten Einsatz kommt. Selbst dann sollte man keinen Switch zum Schnäppchenpreis erwarten. Auch langfristige Schätzungen gehen davon aus, dass die traditionelle Switch-Technologie noch für eine geraume Zeit lang den größten Teil des Marktes beanspruchen wird.

Neben reinen Kosten- und finanziellen Überlegungen kommen auch technische Aspekte ins Spiel. Erhöhte Schaltfrequenzen und höhere Betriebstemperaturen können durchaus geeignete Betriebspunkte für GaN/SiC-Switches sein. Allerdings bringen sie Probleme für die ICs mit sich, die zur Vervollständigung der Leistungswandlungs-Signalkette erforderlich sind. Eine typische Signalkette für ein isoliertes System ist in Bild 1 zu sehen.

Während erhöhte Schaltfrequenzen Konsequenzen sowohl für die Prozessoren, die die Wandlung steuern, als auch für die Strommessung haben, welche die Rückkopplungsschleife bildet, konzentriert sich der Rest dieses Beitrags auf die Änderungen, denen die Gate-Treiber, die die Steuersignale für die Power-Switches liefern, gegenüberstehen.

Gate-Treiber für GaN/SiC 

Gate-Treiber erhalten aus Logik-Pegeln bestehende Steuersignale, erzeugt vom Prozessor, der das System steuert. Sie liefern die Treibersignale, die zum Treiben des Gates am Power-Switch erforderlich sind. In einem isolierten System sorgen die Gate-Treiber auch für die galvanische Trennung zwischen Hochvoltsignalen auf der „Live“-Seite des Systems und Anwendern bzw. empfindlichen Niedervoltschaltkreisen auf der »sicheren« Seite.

Um die Fähigkeiten von GaN/SiC-Technologien in Verbindung mit der höheren Schaltfrequenz voll nutzen zu können, muss bei Gate-Treibern die Frequenz ihrer Steuersignale erhöht werden. Aktuelle IGBT-basierte Systeme können im Bereich mehrerer 10 kHz schalten. Neu aufkommende Anforderungen gehen davon aus, dass Schaltfrequenzen im Bereich mehrerer 100 kHz und möglicherweise bis 1 oder 2 MHz erforderlich sein werden. Dies bringt Probleme für System- 
entwickler mit sich, die versuchen, parasitäre Induktivitäten im Signalpfad vom Gate-Treiber zum Switch zu eliminieren.

Die Minimierung der Leiterbahnlängen, um durch sie hervor- 
gerufene parasitäre Induktivitäten zu vermeiden, ist von entscheidender Bedeutung. Ein möglichst geringer Abstand zwischen Gate-Treiber und Power-Switch könnte die Regel werden. Die meisten, wenn nicht alle empfohlenen Layout-Richtlinien von GaN-Anbietern unterstreichen die Bedeutung von Leiterbahnen und Kupferflächen mit geringer Impedanz. Darüber hinaus richten Entwickler ihren Blick auf Hersteller von Power-Switches und die zugehörigen ICs, damit diese die Probleme, verursacht durch Gehäuse und Bonddrähte, adressieren.

Der größere Betriebstemperaturbereich von SiC/GaN-Switches ist auch für Systementwickler attraktiv. Denn dadurch erhalten sie mehr Möglichkeiten, die Leistungsfähigkeit ohne Wärmeprobleme zu steigern. Während Power-Switches bei wesentlich höheren Temperaturen arbeiten, stehen die auf Silizium basierten Komponenten in ihrer Umgebung genau den gleichen Temperatureinschränkungen wie immer gegenüber. Angesichts der Notwendigkeit, den Treiber neben dem Switch zu positionieren, sind Entwickler mit der Herausforderung konfrontiert, die Temperaturgrenzen von Silizium-Bauteilen nicht zu überschreiten. Die höhere Schaltfrequenz verursacht auch, was das größte Problem für Systementwickler sein könnte: Robustheit gegenüber Gleichtakttransienten.

Signale mit hoher Slew-Rate, eingekoppelt über die Isolationsstrecke in isolierten Gate-Treibern, können Daten bei der Übertragung beschädigen und an den Eingängen unerwünschte Signale hervorrufen. Bei herkömmlichen IGBT-basierten Systemen hat sich gezeigt, dass Gate-Treiber mit Immunitäten von 20 bis 30 kV/µs eine ausreichend hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Gleichtaktereignissen aufweisen. Obwohl GaN-Treiber regelmäßig Slew-Raten oberhalb dieser Grenzen erreichen, sind zur Entwicklung robuster Systeme Gate-Treiber erforderlich, die gegenüber Gleichtakttransienten von 100 kV/µs und mehr immun sind.

Neuere Angebote, wie zum Beispiel der ADuM4135 mit iCoupler-Technologie, sind als direkte Reaktion darauf gegenüber Gleichtakttransienten bis 100 kV/µs immun. Die Verbesserung der CMTI-Leistungsfähigkeit kann jedoch oft auf Kosten zusätzlicher Verzögerungen gehen. Eine Erhöhung der Laufzeitverzögerung bedeutet längere Totzeiten zwischen High- und Low-Side-Schaltvorgängen, was die Leistungsfähigkeit herabsetzt. Dies gilt speziell für isolierte Gate-Treiber, die wegen der Übertragung von Signalen über die Isolationsstrecke normalerweise längere Verzögerungen aufweisen. Der ADuM4135 jedoch unterdrückt Gleichtakttransienten bis 100 kV/µs und weist zugleich eine Verzögerungszeit von 50 ns auf (Bild 2).

Typische IGBTs weisen Gate-Ladungen im Bereich von 100 nC auf. Als Resultat ist es üblich, Gate-Treiber zu finden, die Ausgangstreiberströme von 2 bis 6 A erreichen. Derzeit verfügbare GaN-Switches bieten über eine zehnfach höhere Gate-Ladung, typisch im Bereich 5 bis 7 nC.

Als Resultat daraus verringern sich die Anforderungen für Gate-Treiber wesentlich. Durch die Reduzierung der Treiber-Anforderungen für Gate-Treiber lassen sich kleinere und schnellere Varianten realisieren, die Notwendigkeit für externe Puffer zur Erhöhung des Ausgangsstromes reduzieren und als Folge daraus Platz und Kosten sparen.

Neue Switch-Technologie bringt Vorteile

Das Aufkommen von GaN- und SiC-Bauteilen als neue Lösungen in Power-Conversion-Anwendungen wurde lange vorausgesagt, sehnsüchtig erwartet und scheint nun Realität zu sein. Zwar bieten neue Technologien attraktive Vorzüge, diese sind aber nicht kostenlos.

Um ihre beste Leistungsfähigkeit zu liefern, wird neue Switch-Technologie die Anforderungen der verwendeten isolierten Gate-Treiber verändern und Systementwicklern zugleich neue Probleme bereiten.

Die Vorteile jedoch sind beachtlich und Lösungen für diese Probleme verbreiten sich bereits. Praktikable GaN- und SiC-basierte Lösungen sind heute verfügbar.

Über den Autor:

Maurice Moroney arbeitet bei Analog Devices als Marketing Manager im Bereich Isolated Power Conversion.