GaN-Ansteuerungs-Konfiguration Kaskode oder direkt?

Die direkte Ansteuerung von GaN-Bauelementen bietet gegenüber der Kaskoden-Ansteuerung Vorteile wie etwa eine höhere Effizienz im Schaltbetrieb und eine Verbesserung der Systemzuverlässigkeit durch die Integration von Schutzfunktionen. Wie entstehen diese Vorteile und wie können sie genutzt werden?

Beim Design von Schaltnetzteilen gehören die Kosten, die Abmessungen und der Wirkungsgrad zu den wichtigsten Kenndaten [1]. Diese drei Parameter stehen miteinander im Zusammenhang und erfordern die Berücksichtigung zahlreicher Faktoren. Zum Beispiel kann das Anheben der Schaltfrequenz zwar die Größe und die Kosten der magnetischen Bauelemente reduzieren, jedoch erhöhen sich hierdurch gleichzeitig die Verluste in den magnetischen Bauelementen und die Schaltverluste in den Leistungshalbleitern.

Die Schalteigenschaften von 600-V-HEMTs (High Electron Mobility Transistor) auf der Basis von Galliumnitrid (GaN) ermöglichen neue Topologien, mit denen sich der Wirkungsgrad und die Leistungsdichte von Schaltnetzteilen verbessern lassen. GaN-Bauelemente besitzen geringe Kapazitäten (Eingangskapazität Ciss, Ausgangskapazität Coss sowie Rückwärtsübertragungskapazität Crss) und weisen keine Sperrverzögerung im dritten Quadranten auf. Diese Eigenschaften lassen hart geschaltete Topologien mit höheren Schaltfrequenzen zu, wie zum Beispiel brückenlose PFC-Schaltungen (Power Factor Correction) in Totempfahl-Konfigura­tion. Diese lassen sich mit MOSFETs und IGBTs
(Insulated Gate Bipolar Transistor) nicht realisieren, weil deren Schaltverluste
zu hoch sind.

Normalerweise stellen MOSFET/IGBT-Treiber hinreichend große Ein- und Abschaltströme für die vorgefundene Eingangskapazität zur Verfügung. Externe Widerstände zwischen dem Treiberausgang und dem Gate-Anschluss des Bausteins kontrollieren die Anstiegsgeschwindigkeit und dämpfen etwaige Schwingungen der Leistungs- und Gate­Schleife. Angesichts der hohen Anstiegsgeschwindigkeit der GaN-Bauelemente würden externe Bauelemente allerdings zu viel parasitäre Induktivität einbringen, um das Schalten zu kon­trollieren. Die Integration des Treibers in das Gehäuse des GaN-Bausteins
dagegen minimiert die parasitären Induktivitäten, senkt die Schaltverluste und optimiert die Ansteuerung.

Vorteile der direkten Ansteuerung

Die native zweidimensionale Elektronengas-Schicht (2-DEG) zwischen Source und Drain eines GaN-Bausteins sorgt dafür, dass der Baustein bei einer Gate-Source-Spannung von 0 V leitet. Aus Sicherheitsgründen müssen die in Schaltnetzteilen verwendeten Leistungshalbleiter aber abgeschaltet werden, wenn keine Bias-Stromversorgung anliegt, damit der Eingang vom Ausgang getrennt wird. Um einen Anreicherungsbaustein zu emulieren, wird deshalb ein Niedervolt-MOSFET mit dem Source-Anschluss des GaN-Bausteins in Reihe geschaltet. Bild 1 zeigt zwei verschiedene Möglichkeiten hierfür, nämlich die Kaskoden-Ansteuerung und die direkte Ansteuerung.

In der Kaskoden-Konfiguration liegt das Gate des GaN-Bausteins an Masse, und zur Steuerung des GaN-Bausteins wird das Gate des MOSFETs angesteuert. MOSFETs sind Silizium-Bausteine, und so gibt es ein großes Angebot an Treibern dafür. Allerdings weist diese Kombination einen höheren Coss-Wert auf, da sowohl die Gate-Source-Kapazität (Cgs) des GaN-Bausteins als auch die Coss des MOSFETs auf die Schwellenspannung des GaN-Bausteins geladen werden müssen, bevor letzterer abschaltet.

In einer Konfiguration mit direkter Ansteuerung ist der MOSFET eingeschaltet und das Gate des GaN-Bausteins schaltet den kombinierten Baustein ein und aus. Dafür wird es von einem zwischen Masse und einer negativen Spannung (UNEG) liegenden Treiber ange­steuert. Außerdem muss die Coss des MOSFETs nicht aufgeladen werden. Der zum Laden der Cgs des GaN-Bausteins erforderliche Strom kommt von einer Bias-Stromversorgung mit niedrigerer Spannung. Niedrigere Versorgungsspannungen liefern aber die gleiche Gate-Source-Ladung für den GaN-Baustein, sodass die Verlustleistung geringer wird. Dieser Unterschied der Energieeffizienz tritt umso mehr in den Vordergrund, je höher die Schaltfrequenz ist.