Gate-Treiber SiC-Module richtig ansteuern

Auch in Power-Modulen, wie sie bislang für Silizium-IGBTs eingesetzt wurden, finden sich immer häufiger Siliziumkarbid-Mosfets. Um ihr Potenzial voll auszuschöpfen, ist ein robuster und schneller Gate-Treiber essenziell.

Halbleiter mit großer Bandlücke (Wide Bandgap; WBG) – insbesondere Siliziumkarbid (SiC) – werden immer beliebter, da der Automobilbereich diese immer ausgereiftere Technologie mit hohem Wirkungsgrad und höherer Leistungsdichte für sich entdeckt hat. Doch auch industrielle Anwendungen profitieren zunehmend von den Vorteilen dieser Leistungstransistoren.

Um das schnelle Schalten und die geringeren Verluste der SiC-MOSFETs voll auszuschöpfen, sind zwei wesentliche Herausforderungen zu bewältigen: die Beschaffung optimierter Leistungsmodule mit geringen parasitären Induktivitäten sowie ein robuster und schneller Gate-Treiber, mit dem sich diese zuverlässig und effizient ansteuern lassen.

Dieser Beitrag stellt den Gate-Treiber CMT-TIT8243 von Cissoid vor (Tabelle 1). Dieser erfüllt die wesentlichen Anforderungen der Ansteuerung von 62-mm-SiC-MOSFET-Modulen:

  • Schnelles Schalten (hoher du/dt-Wert) für hohen Wirkungsgrad,
  • hohe Schaltfrequenz für hohe Leistungsdichte,
  • robust gegen hohe Spannungen und
  • sicherer und zuverlässiger Betrieb.
Parametermin.max.Bedingungen
Gate-Strom (max.) / A10 R_G(on) = RG(off) = 0 Ω, Ta = +125 °C
Durchschnittlicher Gate-Strom (max.) / mA95 T_a = +125 °C, V+ = 20 V, V– = –5 V
Positive Steuerspannung / V19,420,6–40 °C bis +125 °C, von 0 A bis max. Last
Negative Steuerspannung / V–5,2–4,8–40 °C bis +125 °C, von 0 A bis max. Last
Parasitäre Kapazität / pF 10zwischen High-Side und Primärkreis
du/dt (max.) / kV/µs50  
Drain-Source-Spannung / V 1200/1700 
Isolationsspannung / kV 3,6 50 Hz, 1 min.
Kriech-/Luftstrecke / mm14/12  
Dauerbetriebstemperatur / °C–40+125 

 

Tabelle 1: Hauptmerkmale des Gate-Treibers CMT-TIT8243.

Schnelles Schalten

SiC-MOSFETs können schnell schalten, weswegen die Flankensteilheit (du/dt) sehr hoch und damit die Schaltverluste niedrig sind. Bei einem bestimmten Baustein lassen sich die Schaltverluste durch kleinere externe Gate-Widerstände reduzieren (Bild 1). Dadurch erhöht sich der Spitzen-Gate-Strom und das du/dt. Ein Gate-Treiber muss daher in der Lage sein, einen solch hohen Spitzen-Gate-Strom zu liefern, um niedrige Schaltverluste zu ermöglichen.

Zu beachten ist, dass SiC-MOSFET-Leistungsmodule in der Regel intern gedämpft sind, um das du/dt zu begrenzen und Schwingungen innerhalb des Moduls zu vermeiden. Das Modul CAS300M12BM2 von Wolfspeed beispielsweise verfügt über einen internen Gate-Widerstand von 3 Ω [1]. Bei Steuerspannungen von +20 V/–5 V begrenzt der interne Gate-Widerstand den maximalen Gate-Strom auf 8,3 A. Es wird empfohlen, einen minimalen externen Widerstand (z. B. 2,5 Ω) hinzuzufügen, um Schwingungen zu vermeiden. Der Spitzenstrom ist damit in der Praxis auf 4,5 A begrenzt. Mit einem maximalen Gate-Strom von 10 A bei +125 °C kann der Gate-Treiber SiC-MOSFET-Module für 1200 V/300 A mit maximalem du/dt und minimalen Schaltverlusten betreiben.

Da hohe Werte für das du/dt erwünscht sind, um die Schaltverluste von SiC-MOSFETs zu verringern, ist das Design des Gate-Treibers eine Herausforderung. Denn ein hohes du/dt erzeugt über den parasitären Kapazitäten der Isolationsbarriere (also über dem Transformator und den Signal-isolatoren) einen hohen Gleichtaktstrom, der den Betrieb des Gate-Treibers stören und zu einem unerwünschten Verhalten wie parasitäres Ein- oder Ausschalten führen kann. Beim CMT-TIT8243 wurde der Transformator für eine niedrige parasitäre Kapazität optimiert, um Gleichtaktströme zu minimieren. Die gesamte parasitäre Kapazität beträgt weniger als 10 pF zwischen dem High-Side-Treiber und der Primärseite, einschließlich Transformator und Isolatoren. Damit garantiert der Treiber einen einwandfreien Betrieb bei einem du/dt über 50 kV/µs.

Außerdem verfügt der Gate-Treiber über eine differenzielle RS-422-Schnittstelle für PWM-Eingangssignale, um die Signalintegrität bei schnellen Übergängen der Leistungsstufe zu verbessern. Bei parasitären Kapazitäten von weniger als 10 pF zwischen Primär- und Sekundärkreis und bei du/dt-Werten bis zu 50 kV/µs liegen die Gleichtaktströme immer noch nahe bei 0,5 A. Solch hohen Ströme können die Eingangssignale stören, falls eine Single-Ended-Schnittstelle zum Einsatz kommt.

Bild 2 zeigt einen Doppelpuls des Gate-Treibers CMT-TIT8243 und des Moduls CAS300M12BM2 bei 250 A/600 V. Bild 3 zeigt das Einschalten des High-Side-Schalters mit einem du/dt von über 40 kV/µs und sauberen Gate-Signalen.