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GaN-Treiber / Universität Reutlingen

Drei Stufen geben GaN-Transistoren Sicherheit

21. Januar 2019, 10:00 Uhr   |  Achim Seidel, Prof. Dr. Bernhard Wicht

Drei Stufen geben GaN-Transistoren Sicherheit
© Flamingo Images / Shutterstock

GaN-HEMTs bieten ein enormes Potenzial für kompakte Leistungselektronik, da sie die Größe der passiven Bauelemente verringern. Allerdings bringt das schnelle Schalten Herausforderungen für den Gate-Treiber mit sich. Ein vollständig integrierter Treiber mit drei Spannungsstufen hilft, diese zu lösen.

GaN-Transistoren haben eine niedrige Schwellspannungz Vt von etwa 1 V. Bei einer unipolaren Gate-Ansteuerung können diese daher unkontrolliert wieder einschalten, etwa bei einer typischen Halbbrücke (Bild 1, oben links). Dies liegt an der Einkopplung über die Gate-Drain-Kapazität (Miller-Einkopplung), wenn der Low-Side-Treiber einschaltet, wodurch eine Stromspitze in das Gate fließt. In der Regel wird dies durch Anlegen einer negativen Gate-Spannung verhindert, indem der Sicherheitsabstand zu Vt erhöht wird, was zu einer bipolaren Ansteuerung des Gates führt.

In vielen Anwendungen der Leistungselektronik arbeiten GaN-Transistoren in Sperrrichtung und müssen den Spulenstrom während der Totzeit leiten, wenn sowohl High-Side- als auch Low-Side-Schalter ausgeschaltet sind (Bild 1, unten links). Da GaN-Transistoren keine echte Body-Diode haben wie Siliziumbauelemente, schaltet sich der GaN-Transistor im Rückwärtsbetrieb ein (Quasi-Body-Diodenverhalten) und bewirkt eine Drain-Source-Spannung mit einem Spannungsabfall VF. Da sich bei einer negativen Gate-Spannung der Wert von VF um ebendiesen Wert erhöht, wurden für einen typischen GaN-Schalter mit einem bipolaren Gate-Treiber 63 % höhere Rückwärtsleitungsverluste gemessen. Ein Gate-Treiber mit drei Spannungspegeln (positiv/0 V/negativ) kann diesen Nachteil aufheben. Gleichzeitig macht ein solcher Treiber die Schaltung robust gegen unbeabsichtigtes Wiedereinschalten, ähnlich dem in [1] vorgeschlagenen Schaltkreis für einen diskreten bipolaren Gate-Treiber.

Universität Reutlingen, Seidel, Wicht, GaN, Gallium Nitride
© Universität Reutlingen

Bild 1: Konzepte für verschiedene Gate-Treiber für GaN-Transistoren einschließlich des vorgeschlagenen dreistufigen Gate-Treibers.

Herkömmliche Gate-Treiber mit bipolaren Gate-Spannungen (Bild 1, oben rechts) bestehen oft aus einem unipolaren Gate-Treiber-IC, während der Source-Anschluss des GaN-Transistors an einen Zwischenspannungspegel angeschlossen ist. Zwei externe Kondensatoren puffern die Gate-Ladung für den positiven und negativen Spannungspegel.

Um die negative Gate-Source-Spannung VGS zu erzeugen, ist eine zusätzliche Ladungspumpe mit externem Kondensator oder eine voluminöse und teure isolierte Spannungsversorgung (Transformator) erforderlich. Der diskrete bipolare Treiber in [2] benötigt keine zusätzliche Ladungspumpe, jedoch immer noch zwei externe Kondensatoren. [3] stellt einen mikrowellengetriebenen bipolaren Gate-Treiber ohne externe Kondensatoren dar; er puffert jedoch nicht die übertragene Energie und begrenzt den Gate-Strom auf etwa 30 mA.

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1. Drei Stufen geben GaN-Transistoren Sicherheit
2. Aufbau der Treiberschaltung
3. Implementierung des Treibers

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