Gate-Widerstand für Wide-Bandgap-Einsatz

Totzeiten entscheidend minimieren

28. März 2023, 8:00 Uhr | Von Andrew Mason, Senior Product Marketing Manager, und Jorge Lugo, Senior Manager Market Development, beide bei Vishay Intertechnology

Fit for the future: Die Power-Module im EMIPAK-Gehäuse mit PressFit-Verbindungstechnologie basieren auf Galliumnitrid und Siliziumkarbid.

Um die Effizienzvorteile von SiC und GaN voll auszuschöpfen, muss die optimale Gate-Treiberschaltung die spezifischen Anforderungen an die Gate-Ladung Qx, die Schaltfrequenz, die Spitzenstrombelastbarkeit des Treibers und bei schnellem Schalten zudem das genaue Timing berücksichtigen.

Die weltweite Energiekrise hat die Entwicklung hin zu alternativen Energiesystemen beschleunigt und die Aufmerksamkeit auf die Energieeffizienz und die Reduzierung von Verlusten bei elektrischen/elektronischen Anwendungen gelenkt. Diese Trends haben die Einführung neuer Hochleistungs-Technologien auf der Basis von Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) beschleunigt, die entscheidende Vorteile gegenüber herkömmlichen Materialien auf Siliziumbasis für elektronische Schaltungen bieten.

Eine deutlich kleinere Chipgröße, die bessere Wärmeleitfähigkeit und das bessere Wärmemanagement sowie die wesentlich geringeren Schaltverluste machen den Einsatz dieser neuen Wide-Bandgap-Technologien ideal für platzbeschränkte Anwendungen, die eine hervorragende Energieeffizienz erfordern, wie etwa Stromversorgungen, Antriebe und Wechselrichter für Anwendungen in den Bereichen Industrie, Medizin, Telekommunikation und Fahrzeuge. Sie eignen sich besonders gut für Bereiche mit hohem Bedarf wie zum Beispiel integrierte Leistungsmodule, die in Antriebswechselrichtern für Elektrofahrzeuge (EV), Ladegeräten und Satellitenstromwandlern Verwendung finden.

Ähnlich wie bei vielen anderen elektronischen Bauelementen, bei denen neue Technologien mit neuen Materialien zum Einsatz kommen, müssen Entwickler bei ihren Designs bestimmte Kompromisse eingehen. Einige der wichtigsten Abstriche betreffen dabei die Schaltverluste. Beispielsweise verstärken die daraus resultierenden höheren di/dt- und dv/dt-Werte sowie der Betrieb bei höheren Geschwindigkeiten die Frequenzschwingungen in der Schaltung – das macht Rauschen zu einem wichtigen Faktor.

Bei einer typischen Schaltung kommen ein High-Side(HS)- und einen Low-Side(LS)-MOSFET als Schaltelemente zur Ansteuerung einer induktiven Last zum Einsatz. Wenn der HS-Schalter durchschaltet (Ein) und der LS-Schalter sperrt (Aus), fließt der Strom von der Spannungsversorgung VCC zur Induktivität Lo. Wenn der HS-Schalter sperrt (Aus) und der LS-Schalter durchschaltet (Ein), fließt der Induktorstrom weiterhin synchron von Masse nach Lo.

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Damit definiert die Gate-Spannung also den Ein/Aus-Zustand, und Änderungen der Gate-Spannung beeinflussen das Laden und Entladen der Gate-Schleife. Sowohl die Schaltzeiten als auch die damit verbundenen Verluste hängen davon ab, wie schnell es möglich ist, den Gate-Kondensator durch den Gate-Strom zu laden und zu entladen. Beeinflusst wird der Gate-Strom dabei von der Treiberspannung, dem Gate-Widerstand und den gesamten intrinsischen parasitären Effekte der Treiberschaltung.

Um ein gleichzeitiges Ein- und Ausschalten zu vermeiden, verwenden Designer in der Regel einen sorgfältig ausgewählten Gate-Widerstand, der sich ideal für diese Anwendungen eignet, wie etwa einen Hochleistungs-Dickschicht-Chip, einen Dünnschicht-MELF- oder einen IGBR-Hochleistungs-Back-Contact-Widerstand von Vishay. Solche Bauelemente machen längere Totzeiten, also die Zeit zwischen dem Schalten des HS- und des LS-Schalters, überflüssig, die sich ansonsten in Leistungsverlusten niederschlagen.

Aus diesem Grund konzentrieren sich die grundlegenden Überlegungen zur Auswahl der Gate-Widerstandstechnologie auf Impulsleistung, Impulsdauer und -temperatur sowie auf die Stabilität. Als Faustregel gilt: Sollen zwei Gate-Widerstände zum Einsatz kommen, sollte der Wert des On-Gate-Widerstands mindestens doppelt so hoch sein wie der des Off-Gate-Widerstands. Wichtig ist der Wert des Off-Gate-Widerstands, um ein parasitäres Einschalten zu vermeiden, wenn die Spannung am Drain – etwa bei IGBTs am Kollektor – ansteigt.

Gate-Treiberschaltungen basieren auf einer Implementierung aus Widerstand (R), Kapazität (C) und Induktivität (L). Ist der Widerstandswert zu hoch, sind die Verluste inkrementell. Ist er zu niedrig, kann es zu Schwingungen – manchmal auch als Klingeln bezeichnet – kommen, ein äußerst unerwünschter Effekt.