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Tipps für Schaltnetzteil-Designer

Hohe Energiedichte mit eGaN

19. November 2019, 10:37 Uhr | Von Rich Miron, Applications Engineer bei Digi-Key Electronics

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Die Bedeutung des Überstromschutzes

Entscheidender Vorteil der Konstruktion eines Schaltnetzteils mit höheren Schaltfrequenzen ist die Reduzierung der Größe der passiven Bauteile und im Gegenzug der Anstieg der gesamten Leistungsdichte. Ein Nachteil ist jedoch, dass diese erhöhte Leistungsdichte die Gefahr von Schäden bei einem Überstromereignis vervielfacht. Überstromereignisse sind eine stetige Gefahr für Schaltnetzteile. Neben anderen Problemen können Überstromspitzen zu falscher Auslösung durch eine externe parasitäre Induktivität von der Source-Leiterbahn der Platine führen.

Während ein schneller Überstromschutz (Overcurrent-Protection, OCP) schon für die Schaltnetzteile mit herkömmlichen MOSFETs wichtig war, ist er für die eGaN-HEMTs noch wichtiger. Und zwar aus folgenden Gründen:

Bei gleicher Blockierspannung und gleichem Einschaltwiderstand ist die eGaN-HEMT-Fläche viel kleiner, sodass es viel schwieriger ist, die Wärme abzuleiten, die bei einem Überstromereignis entsteht.
Der Überstrom muss erkannt werden, während der eGaN-HEMT in der linearen Region arbeitet, da der Baustein ansonsten schnell in die Sättigungsphase gerät, was zu übermäßigem Leistungsverlust und zu Schäden führt.

Ein konventioneller Ansatz für den Überstromschutz ist der Einsatz eines Strommesswandlers, von Shunt-Widerständen oder Schaltungen zur Erkennung der Entsättigung (siehe Tabelle). Doch leider können sich diese Optionen negativ auf die Systemleistung auswirken, indem sie die parasitären Induktivitäten und Widerstände in der Leistungsschleife erhöhen, was wiederum eine Reduzierung der Anstiegsrate und eine daraus resultierende Erhöhung des Leistungsverlusts erforderlich macht. Außerdem erhöhen diskrete Bausteine wie etwa Messwandler oder Shunt-Widerstände die Kosten und nehmen Platz auf der Platine in Anspruch.

Ein alternativer Ansatz für den Überstromschutz ist daher die Messung der Drain-Source-Spannung (VDS) des GaN-FET mit einem Strommesselement, einem Pegelwandler zur Weitergabe des Signals an den Controller und einer Erkennungsschaltung. Diese Methode hat den Vorteil, dass sie nicht zu den parasitären Induktivitäten und Widerständen führt, welche die Schaltungsleistung beeinträchtigen, aber es mangelt ihr an Genauigkeit, vor allem aufgrund des hohen Temperaturkoeffizienten von GaN.

Eine dritte Option besteht in der Auswahl einer integrierten eGaN-Leistungsstufe, die bereits über einen integrierten Überstromschutz verfügt. Dadurch entfallen die Nachteile der beiden zuvor genannten Ansätze. Die LMG3411 von TI ist ein Beispiel für ein Produkt, das mit dieser Funktion ausgestattet ist. Die LMG3411-Schutzschaltung ist in der Lage, die eGaN-HEMTs in weniger als 100 ns auszuschalten, wenn ein Überstrom erkannt wird. Wenn der PWM-Eingang beim nächsten Schaltzyklus wieder im niedrigen Bereich liegt, wird das Ausgangsfehlersignal zurückgesetzt. Damit kann der eGaN-HEMT schon beim nächsten Schaltzyklus zum normalen Einschalten zurückkehren, was die Unterbrechung am Ausgang minimiert.