Startseite > Power > Power Management > Besser sperren als bei der Kaskode

600-V-GaN-HEMTs von Texas Instruments

Besser sperren als bei der Kaskode

21. November 2017, 10:30 Uhr | Ralf Higgelke

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Vorteile gegenüber der Kaskode

Mit deren jeweils anderen Ansteuertechniken haben synchron angesteuerte und direkt angesteuerte Hochspannungs-GaN-Bausteine sehr unterschiedliche Eigenschaften. Synchron angesteuerte Hochspannungs-GaN-Bausteine (Kaskode) lassen sich als direkter Ersatz für Hochspannungs-Silizium-MOSFETs einsetzen. Allerdings wird der Niederspannungs-Silizium-MOSFET in der Kaskode synchron mit dem GaN-HEMT geschaltet, sodass die Body-Diode des MOSFET dauerhaft leitend sein kann. Die Sperrerholladung Q_rr des MOSFETs sorgt deshalb für zusätzliche Verluste und begrenzt die Schaltfrequenz, die sich mit einem synchron angesteuerten Hochspannungs-GaN-Baustein erreichen lässt.

Im Unterschied zur Kaskode wechselt der Silizium-MOSFET in einem direkt angesteuerten Hochspannungs-GaN-Baustein nur einmal vom Aus- in den Ein-Zustand, in dem er dann dauerhaft verbleibt. Hierdurch kommt der Sperrerholeffekt der Body-Diode im MOSFET nicht zum Tragen. Durch die Integration des Gate-Treibers und der Start-up-Logik verbessert sich außerdem die Zuverlässigkeit der gesamten Stromversorgung.

Der 600-V-GaN-Baustein LMG3410 von Texas Instruments passt die direkte Ansteuertechnik so an, dass ein Q_rr-Wert von null und eine geringere Gate-Ladung erreicht wird. Ebenfalls eingebaut sind ein Übertemperaturschutz (OTP) und ein Überstromschutz (OCP) mit einer kurzen Ansprechzeit im Fehlerfall von 50 ns. Setzt man die direkt angesteuerten GaN-Bausteine des Unternehmens in Stromversorgungen ein, deren Schalter in einer Totem-Pole-Konfiguration angeordnet sind (zum Beispiel in einer Totem-Pole-PFC oder einem LLC-Wandler), so entfallen jegliche Probleme mit Brückenkurzschluss-Strömen (Shoot through) und falsch eingestellten Totzeiten.

Matchmaker+ Anbieter zum Thema

zu Matchmaker+

Bild 2 zeigt das Ergebnis eines Brückenkurzschluss-Tests mit einer LLC-Halbbrücke, in dem der LMG3410 als Eingangsschalter dient. Während des Tests wird ein High-Side-Schalter zwangsweise eingeschaltet, während der Low-Side-Schalter durch ein Treibersignal mit langsam zunehmendem Tastverhältnis angesteuert wird. Sobald der Überstromschutz (OCP) anspricht, deaktiviert der LMG3410 sofort seinen internen Treiber, um den Schalter abzuschalten und dadurch einen Totalausfall des Bausteins abzuwenden. Wir testeten auch den Übertemperaturschutz des Bausteins in demselben LLC-Halbbrückenwandler mithilfe einer falsch eingestellten Totzeit, um den Wandler in den hart geschalteten Betrieb zu zwingen.

Aufgrund der eingebauten OCP- und OTP-Funktionen dieses GaN-Bausteins mit einer Q_rr von null sind die schwierigsten Probleme im Zusammenhang mit Totem-Pole-Schaltern bereits gelöst. Es ist eine Tochterkarte erhältlich, mit der Anwender selbst ausprobieren können, wie die direkt angesteuerten GaN-Bausteine von Texas Instruments die Zuverlässigkeit und den Wirkungsgrad eines Systems verbessern können.

Weitere Ressourcen:

[1] Referenzdesign PMP20289: 400V – 12V/500W High Frequency Resonant Converter Reference Design Using High Voltage GaN devices

[2] GaN FET-Based CCM Totem-Pole Bridgeless PFC