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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

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Aufbau der Treiberschaltung

Diese Arbeit ieee.org/document/8310345" href="https://ieeexplore.ieee.org/document/8310345">[4] stellt einen Gate-Treiber mit einer Vollbrückenarchitektur vor (Bild 1, unten rechts), der eine bipolare dreistufige Gate-Treiberspannung liefert. Da GaN-Transistoren in einem typischen Bereich für die Gate-Source-Spannung VGS von ±5 V arbeiten, lassen sich die vier Schalter der Treiber-Endstufe mit Niederspannungskomponenten realisieren. Abhängig von der Polarität der Brücke wird am GaN-Bauelement eine positive, eine negative oder 0 V als Gate-Source-Spannung angelegt.

Um die Nachteile eines externen C_DRV zu vermeiden, wird das Konzept der Hochspannungs-Energiespeicherung (High-Voltage Energy Storing, HVES) mit integriertem Pufferkondensator [5] sowohl am Gate- als auch am Source-Anschluss verwendet. Die integrierte Schaltung kann hohe Stromimpulse liefern, die auf einer resonanten Entladung eines Hochspannungskondensators über eine Induktivität zum Gate basieren. Da die Energie im Kondensator zum Quadrat seiner Spannung proportional ist (z. B. 15 V), kann die Schaltung eine hohe Menge an Ladung liefern und benötigt dabei eine sehr kleine Chipfläche. Eine sourceseitige Kondensator-Ladungspumpe (C_HV CP) kann den Hochspannungspufferkondensator C_HVn im abgeschalteten Zustand des Treibers aus einer nichtisolierten Treiberversorgung aufladen. Durch die Integration aller Kondensatoren reduziert diese Arbeit die Anzahl der Anschlüsse nach außen sowie die der Bonddrähte in der Gate-Schleife und bietet mehr Flexibilität für das Leiterplatten- und Systemdesign.

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Bild 2, oben, zeigt den Aufbau des implementierten dreistufigen Gate-Treibers. Um den GaN-Schalter einzuschalten, schaltet sich MN_p durch das Treiber-Steuersignal DRV_INp aus. Bei einem bipolaren Treiberbetrieb geht DRV_INn auf high, schaltet MP_n aus und MN_n ein, um die Source S zu entladen. M_HVp schaltet ein und löst den Gate-Treiber (mit HVES) [5] aus, um das Gate G des GaN-Transistors über den Hochspannungskondensator C_HVp (0,6 nF), die integrierte Induktivität L_HVp (14 nH) und einen aktiven Gleichrichter resonant aufzuladen. Durch die ansteigende Spannung am Gate des GaN-Transistors schaltet sich MP_p ein und hält dieses Gate über eine niederohmige und niederinduktive Verbindung konstant auf V_DRV.

Um den GaN-Transistor wieder zu sperren, geht das Treibersignal DRV_INp auf low, wodurch MP_p aus- und MN_p einschalten und sich das Gate entlädt. Gleichzeitig löst, getriggert durch DR_VINn, der Hochspannungstransistor M_HVn einen resonanten Stromimpuls über C_HVn und L_HVn aus und lädt den Source-Anschluss S. Der Strompfad schließt sich über MN_p und den Niederspannungstransistor M_CP der Ladungspumpe, der beim Abschalten des Treibers eingeschaltet ist. Durch die steigende Source-Spannung wird MP_n leitend und verbindet die Source mit V_DRV. Im dreistufigen Modus schaltet DRV_INn vor dem nächsten Einschalten des Treibers auf high, schaltet MP_n aus und entlädt die Source über MNn.

Bei einer galvanisch getrennten Treiberversorgung (Versorgungsmasse bezieht sich auf Chipmasse) lassen sich C_HVp und C_HVn problemlos über die Chipmasse laden. Um C_HVp und C_HVn aus der Treiberversorgung V_SUP (typ. 15 V) aufzuladen, schalten sich die Back-to-Back-Schalter B2B_p und B2B_n ein, und der Strompfad schließt sich über die Kondensatoren und die Chipmasse.

Bei einer nicht galvanisch getrennten Versorgung (Bezugsmasse liegt auf der Source S) wird der Source-Knoten im ausgeschalteten Zustand des Treibers (negativer Gate-Pegel) mit V_DRV verbunden. Da die negativen Elektroden von C_HVp und C_HVn mit der Chipmasse verbunden sind, würde der Ladestrom durch C_DRV und MP_n nach S fließen und damit C_DRV (3,6 nF) entladen. Um dies zu vermeiden, lässt sich die negative Elektrode von C_HVp mit dem Source-Knoten S des GaN-Transistors verbinden. Dies ist beim C_HVn jedoch nicht möglich, da er beim Abschalten des Treibers eine Verbindung zur Chipmasse benötigt. Aus diesem Grund nutzt die hier eingesetzte C_HV-Ladungspumpe (C_HV CP), bestehend aus M_CP und D_CP, den Kondensator C_HVn auch als Ladungspumpen-Kondensator. Bild 2, unten rechts, zeigt seine Funktion. Beim Abschalten des Treibers wird der Gate-Knoten G mit der Chipmasse kurzgeschlossen, während M_CP aktiv ist, um den Source-Knoten S zu laden. Die Resonanzcharakteristik des Gate-Treibers mit HVES führt dazu, dass beim Ausschalten des Treibers die Spannung am Knoten S auf einen höheren Wert schwingt als V_DRV, sodass sich C_DRV über die Body-Diode von MP_n auflädt.

Das gleiche C_DRV-Ladeschema gilt auf der Gate-Seite beim Einschalten des Treibers. Nach dem Abschalten des Treibers schaltet sich M_CP aus und C_HVn wird über D_CP und MP_n direkt über die Source geladen. Wird der Treiber als Low-Side-Treiber verwendet, schaltet er also beispielsweise in einer Halbbrücke den unteren GaN-Transistor, kann dieser auch im eingeschalteten Zustand zur Verfügung stehen. Da die Chipmasse über M_Nn mit dem Knoten S verbunden ist, lassen sich dann mit dem gewählten Konzept alle auf Source bezogenen Kondensatoren aufladen.