Überstromschutz in GaN-Designs Keine Chance für Überstrom

Bei Überstrom ist ein schnelles Abschalten wichtig,um eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zu gewährleisten.
Bei Überstrom ist ein schnelles Abschalten wichtig,um eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zu gewährleisten.

Um in Leistungselektronik-Designs für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zu sorgen, ist bei Überstrom ein schnelles Abschalten wichtig. Traditionelle Konzepte können sich negativ auf die Leistungsfähigkeit des Systems auswirken. Doch das lässt sich mit den passenden GaN-Designs verhindern

Schaltungsdesigner erhalten mit Bauelementen auf der Basis von Galliumnitrid (GaN) die Möglichkeit, die Schaltfrequenz ihrer Leistungselektronik-Designs auf ein Niveau an­zuheben, das ihnen mit den heutigen Si-MOSFETs verschlossen war. Die Verwendung höherer Schaltfrequenzen wiederum erlaubt den Einsatz kleinerer passiver Bauelemente im System sowie im Gegenzug eine Erhöhung der Leistungsdichte des Gesamtsystems. Um diese Lösungen allerdings robust zu machen, sind Schutzvorkehrungen gegen zu hohe Ströme erforderlich.

Traditionelle Konzepte, wie etwa die Verwendung von Stromwandlern, Shunt-Widerständen oder Schaltungen zur Entsättigungs-Erkennung, sind wegen ihrer langen Ansprechzeiten nicht nur ineffektiv, sondern können sich auch ungünstig auf die Leistungsfähigkeit des Systems auswirken.

Sie bringen in die Leistungsschleife parasitäre Induktivitäten und Widerstände ein, die zusätzliche Verluste im System hervorrufen oder es erforderlich machen können, die Schalt­geschwindigkeit der GaN-Bauelemente herabzusetzen. Um diese Herausforderung zu bewältigen, enthalten die GaN-Leistungsstufen der Reihe LMG341X von Texas Instruments (TI) einen integrierten, schnellen Überstromschutz, der den GaN-FET in weniger als 100 ns abschalten kann, sollte es zu einem Überstrom oder zu einem Kurzschluss kommen. Der vorliegende Applikationsreport erläutert die Wichtigkeit dieses Features und geht auf den Unterschied zwischen der »Latched«- und der »Cycle-by-Cycle«-Betriebsart ein.

Nicht ohne Kurzschlussschutz

Shoot-through-Ströme und Kurzschlüsse sind gängige Ausfallarten in Stromversorgungsschaltungen. Mithilfe der Daten, die ihnen von den Bauelemente¬herstellern zur Verfügung gestellt werden, geben Designer von Leistungswandlern ihr Bestes, um das Risiko für derartige Vorkommnisse zu senken, aber ganz lässt sich die Gefahr von Kurzschlüssen und Shoot-through-Ereignissen dennoch nicht eliminieren. Aus diesem Grund statten die Designer ihre Systeme mit entsprechenden Schutzschaltungen aus. Die Gründe für Kurzschlüsse und Shoot-through-Phänomene sind vielfältig:

Durch den Controller bedingt:
    Fehlfunktion des Controllers oder Auftreten von Glitches
    Unzureichende Totzeit

Durch mechanische oder Einflüsse der Umgebung bedingt:
    Vibration, Feuchtigkeit, lose Partikel und so weiter.

Die Schutzvorkehrungen für Si-basierte MOSFETs und IGBTs sind bereits recht ausgereift. In Si-MOSFET-Anwendungen mit geringer Leistung – weniger als 300 W – und hoher Schaltfrequenz, wie zum Beispiel in einer Diodenbrücken-PFC-Schaltung (Power Factor Correction; Leistungsfaktorkorrektur) wird der Si-MOSFET durch eine SiC-Diode mit kurzer Sperrverzögerungszeit ergänzt. Die Struktur beseitigt das Risiko eines Shoot-through-Stroms, sodass aus Kostengründen möglicherweise auf weitere Schutzmaßnahmen verzichtet wird. In Halbbrücken-Anwendungen wie etwa Motortreibern wird der Strom im low-seitigen MOSFET mithilfe eines Strommesswiderstands überwacht. Bei IGBTs schließlich wird der Gate-Treiber mit Schutzfunktionen auf Entsättigungs-Basis ausgestattet.

GaN-FETs dagegen benötigen deutlich schneller ansprechende Schutzfunktionen als Si-FETs, was zwei Gründe hat: Bei gleicher Sperrspannung und identischem Einschaltwiderstand ist die Chipfläche wesentlich kleiner als bei Si-FETs, wodurch es schwieriger wird, die im Kurzschlussfall entstehende Verlustwärme abzuführen. Im Unterschied zu IGBTs arbeiten GaN-FETs normalerweise in der linearen Region. Im Kurzschlussfall aber kann ein GaN-FET in die Sättigung geraten, was zu einer übermäßig hohen Verlustleistung führen könnte. Deshalb ist eine Überstromerkennung in der linearen Region erforderlich. Und um eine Halbbrücken-Konfiguration vor jeglichen Überstromereignissen zu schützen, müssen der high- und der low-seitige Baustein mit jeweils eigenen Schutzvorkehrungen ausgestattet werden.

Überstromschutz ist unverzichtbar

In den Leistungshalbleitern kann es aus mehreren Gründen zu Überströmen kommen:

  • Einsatzbedingungen der Applikation – z. B. Lastsprünge, Überlastung, Anlaufströme
  • Vorübergehende Zustände auf Seiten der Quelle wie etwa Einbrüche der Netzspannung
  • Unbeabsichtigte Sättigung magnetischer Bauelemente

In Bild 1 ist ein Überstrom dargestellt, der während einer Netztransiente an einer PFC-Schaltung mit einer Leistung von 750 W auftrat. Während der Transiente steigt der Strom auf ungefähr das Dreifache des Werts, den er unter statischen Bedingungen hat.

Bei Einbrüchen der Netzspannung oder beim Anlaufen unter hoher Last lassen sich ähnliche Transienten beobachten. Zum Beispiel kann der Strom in Telekommunikationsservern höherer Leistung, z. B. in PFC-Schaltungen mit über 2 kW, während solcher Transienten auf bis zu 35 A ansteigen. Die hohen Stromspitzen wiederum können wegen der großen Verlustleistung zu thermisch bedingten Ausfällen in den GaN-Leistungsschaltern führen.

Diskret implementierter Überstromschutz

Diskrete Überstromschutz-Implementierungen wie etwa Shunt-Widerstände oder Stromwandler sind nicht nur mit Mehrkosten und einem größeren Bedarf an Leiterplattenfläche verbunden, sondern verursachen auch eine Zunahme der parasitären Induktivität, was die Leistungsfähigkeit des Systems einschränkt. Ein weiteres, häufig benutztes Verfahren ist die Erfassung der Drain-Source-Spannung (VDS) des GaN-FET.

Es hat zwar keine Auswirkungen auf die Systemleistung, ist aber ungenau, was an dem großen Temperaturkoeffizienten von GaN liegt. Alle diese Methoden erfordern zudem ein Stromabtastelement, einen Pegelumsetzer zur Weiterleitung des Signals an den Regler und eine Detektierungsschaltung bestehend aus einem schnellen Komparator, Filtern und Austastschaltungen. In Tabelle 1 sind die Leistungsfähigkeit, die Systemauswirkungen, die benötigten Bauelemente, der Flächenbedarf und die Kosten der oben erwähnten diskreten Lösungen und des integrierten Überstromschutzes (Overcurrent Protection, OCP) der LMG341X-Familie zusammengefasst.

Das OCP-Konzept auf Basis eines Shunt-Widerstands bietet einen guten Kompromiss zwischen Lösungen auf der Grundlage von Stromwandlern und auf VDS-Basis. Es ist genauer als die VDS-Abtastung und weist geringere parasitäre Induktivitäten auf als das Stromwandler-Verfahren.

Die Schaltungsteile für eine OCP-Implementierung auf der Basis eines Shunt-Widerstands gehen aus Bild 2 hervor.

Wie bereits angesprochen, werden für jede OCP-Schaltung der Shunt-Widerstand selbst sowie eine Detektierungsschaltung mit einem schnellen Komparator und eine Austast-schaltung benötigt. Außerdem ist für den high-seitigen GaN-Baustein ein Pegelumsetzer nötig, um dem Controller den Fehlerzustand anzuzeigen. Ein exemplarisches Leiterplatten-Layout ist in Bild 3 zu sehen.

Darin kommen zwei parallel geschaltete Shunt-Widerstände zum Einsatz, um die zusätzliche Schleifeninduktivität zu reduzieren. Wird die high- und die low-seitige OCP-Schaltung berücksichtigt, werden insgesamt vier Shunt-Widerstände benötigt, wodurch die Leistungsschleife eine zusätzliche Induktivität von etwa 1,2 nH erhält. Infolge der hohen Induktivität der Leistungsschleife können die GaN-FETs nicht mehr mit hoher Geschwindigkeit, d.h. mit 100 V/ns schalten, weil es während der Schaltvorgänge dann zu vermehrten Spannungsüberschwingern käme.

Hinzu kommt, dass der Shunt-Widerstand zum Einschaltwiderstand des GaN-FET addiert werden muss. Beide Komplikationen auf Systemebene haben vermehrte Verluste im System zur Folge. Bei einem mit 100 kHz schaltenden Wandler bewirkt ein Abtastwiderstand von 5 mΩ in einem System mit 1 kW Leistung einen Verlust von 0,2 W, während es bei einer Ausgangsleistung von 2 kW bereits 0,75 W sind. Außerdem erhöht sich die Leiterplattenfläche durch die Schaltung um 233 mm². Tabelle 2 fasst die Auswirkungen einer diskreten Lösung auf das Gesamtsystem zusammen.