Galliumnitrid

Integrierte GaN-Gate-Treiber im Vergleich

9. September 2022, 7:30 Uhr | Vito Prezioso, Future Electronics
Future Electronics, Würth Elektronik
© Future Electronics, Würth Elektronik

GaN-Transistoren sind Silizium-MOSFETs in vielem überlegen – nur nicht in der Ansteuerung. Mit einem System-in-Package aus HEMT und Gate-Treiber kann der Hersteller des GaN-HEMT den optimalen Treiber auswählen – und der Anwender muss sich darum keine Sorgen machen.

Galliumnitrid-Transistoren (GaN) mit hoher Elektronenmobilität (High Electron-Mobility Transistor, HEMT) sind eine attraktive neue Option für die Entwickler von Leistungselektronik. Im Vergleich zu Silizium-MOSFETs reduzieren GaN-HEMTs die Schaltverlust dramatisch und erhöhen so den Wirkungsgrad und unterstützen höhere Schaltfrequenzen, um Größe und Gewicht der Systeme zu verringern.

Diese überlegene Leistungsfähigkeit hat jedoch ihren Preis: GaN-HEMTs sind schwieriger anzusteuern. Während Silizium-MOSFETs nur eine einfache Treiberspannung von +10 V benötigt und Impulse bis 20 V schadlos übersteht, erlauben GaN-HEMTs gewöhnlich nur eine maximale Spannung von +6 V zur Ansteuerung am Gate, wobei die empfohlene Ansteuerspannung bei +5 V liegt.

Auch die Abschaltbedingungen müssen die Anwender sorgfältig im Auge behalten. Einige HEMTs erfordern eine negative Abschaltspannung, um zu verhindern, dass das Bauteil unbeabsichtigt durchschaltet (Parasitic Turn-on). Somit müssen Gate-Treiber für GaN-HEMTs wesentlich genauer gesteuert werden als solche für Silizium-MOSFETs.

Damit gewinnt ein integriertes System-in-Package (SiP) aus HEMT und Gate-Treiber an Attraktivität, denn so kann der Hersteller des HEMTs den optimal passenden Treiber auswählen. Im integrierten SiP kann der Hersteller auch eine optimierte Gate-Treiberschaltung implementieren. Hauptvorteil einer solchen optimierten Schaltung ist, dass die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit nicht durch zusätzliche parasitäre Induktivitäten beeinträchtigt werden, wie sie bei Schaltungen aus diskreten Bauteilen häufig auftreten.

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Streukapazitäten und ihre Auswirkungen

Future Electronics, Gallium Nitride, Gate Driver
Bild 1: Vereinfachte Gate-Treiberschaltung mit den verschiedenen Quellen für parasitäre Induktivitäten
© Future Electronics

Bild 1 zeigt, wo parasitäre Induktivitäten auftreten:

  • LS1 ist die parasitäre Induktivität durch die Leiterbahn, die den Ansteueranschluss des Gate-Treibers über einen Widerstand mit dem Gate verbindet.
  • LS2 ist die Streuinduktivität durch den Anschlussdraht der Source, die auch auf den Leistungskreis einwirkt.
  • LS3 ist die Induktivität durch die Leiterbahn für die Rückleitung, die den Source-Anschluss des Transistors mit dem Masseanschluss des Gate-Treibers verbindet.

Die parasitären Induktivitäten können im Zusammenspiel mit der Miller-Kapazität bei schnellen Schaltvorgängen zu Überschwingen und positiven sowie negativen Spannungsspitzen am Gate führen. Im günstigsten Fall erzeugt das nur elektromagnetische Störungen und beeinträchtigt den Wirkungsgrad. Im ungünstigsten Fall nimmt der Transistor Schaden.

Allgemein gilt: Je breiter die Leiterbahnen und je kürzer die Wege zur Ansteuerung des Gates sind, desto besser. Wenn Treiber und Transistor in einem Package zusammengefasst werden, bleibt die Verbindung zwischen Gate und Source extrem kurz. Das verringert die parasitären Induktivitäten gegenüber einer Schaltung mit diskreten Bauteilen für HEMT und Treiber ganz erheblich.

Die besten integrierten Lösungen zeichnen sich tatsächlich durch extrem niedrige Streuinduktivitäten in der Verbindung zum Gate aus. So wird ein Überschwingen der Gate-Source-Spannung nahezu vollständig verhindert, mit den folgenden Vorteilen:

  • Geringe Belastung der Gate-Struktur und dadurch höhere Zuverlässigkeit des HEMT.
  • Geringerer Dämpfungswiderstand am Treiberausgang. Dadurch schnelleres Schalten und geringere Schaltverluste.

Integrierte Bauteile bieten außerdem niedrigere Streuinduktivitäten im Leistungskreis, wodurch Spannungsspitzen an Drain und Source wesentlich verringert werden. Die Vorteile sind geringere Schaltverluste und geringere Störstrahlung sowie eine niedrigere Belastung durch die Drain-Source-Spannung und höhere Zuverlässigkeit.

Zudem erfordert eine integrierte Lösung weniger Bauteile und verringert den Platzbedarf auf der Leiterplatte. Ein Beispiel: Einige einzelne HEMTs mit 650 V/150 mΩ, die heute am Markt verfügbar sind, haben Abmessungen von 8 mm × 8 mm. Aber der Anwender benötigt dann noch diskrete Gate-Treiber und Gate-Treiber-Widerstände. Der IGI60F1414A1L, eine CoolGaN IPS (Integrated Power Stage) von Infineon, hingegen enthält in einem thermisch optimierten QFN-28-Gehäuse mit 8 mm × 8 mm eine Halbbrücke aus zwei 600-V/140-mΩ-GaN-Schaltern mit eigenen Gate-Treibern.

Vor- und Nachteile der Integration

Diese Vorteile – einfachere Implementierung, geringere parasitäre Induktivitäten und kleinere Abmessungen – haben alle wichtigen Hersteller von GaN-HEMTs dazu veranlasst, neben ihrem Programm an diskreten Transistoren und GaN-Treibern auch Portfolios von integrierten Bauteilen zu schaffen.

Integrierte Lösungen haben aber auch ihre Nachteile. Der erste ist, dass der Kunde fester an den Hersteller und das jeweilige Bauteil gebunden ist. Im Unterschied zu diskreten HEMTs und Treibern, deren Gehäuse in vielen Fällen dem Industriestandard entspricht, gibt es bei integrierten Treiberbausteinen weniger pin- und abmessungskompatible Alternativen.

Außerdem verlagert die Integration die Entscheidung über einzugehende Kompromisse für verschiedene Arten von Anwendungen zum Hersteller des Bauteils. Das führt zu erheblichen Unterschieden zwischen den heute auf dem Markt angebotenen integrierten GaN-Produkten. Die größten Unterschiede bei den Angeboten auf dem Markt treten in den folgenden Bereichen auf:

  • Für eine bestimmte Topologie optimiert oder nicht.
  • Möglichkeit, den Betrieb anzupassen, um elektromagnetische Störstrahlung auf Kosten des Wirkungsgrads zu minimieren.
  • Weiteren Funktionen im Bauteil, zusätzlich zum Treiber und HEMT.

Topologiespezifisch integrierte GaN-Produkte

Mit der Einführung der MasterGaN-Familie hat STMicroelectronics im Markt für integrierte GaN-Produkte eine einzigartige Position besetzt. Dies liegt daran, dass diese GaN-SIPs die ersten waren, die eine integrierte Halbbrücke in einer symmetrischen oder asymmetrischen Konfiguration zusammen mit einem optimierten 600-V-Halbbrückentreiber enthalten.

STMicroelectronics, MasterGaN, Gallium Nitride
Bild 2: Die MasterGaN-Familie als branchenweit erste von ST entwickelte Produkte mit integrierter GaN-Halbbrücke.
© STMicroelectronics

ST hat eine Familie aus fünf Serien von MasterGaN-Produkten geschaffen, um die verschiedenen Topologien, die die meisten Kunden einsetzen, und den Nennleistungsbereich, den sie für ihre Anwendungen benötigen, abzudecken (Bild 2). So sind die Produkte der Serien MasterGaN2 und MasterGaN3 nur für den Einsatz in Sperrwandlern mit aktiver Klemmung (Active-Clamp Flyback) vorgesehen, da diese Topologie beim unteren Transistor einen niedrigeren Durchlasswiderstand verlangt als beim oberen.

Eine neue Referenzentwicklung von ST, das EVLONE65W, zeigt, wie viel Platz sich sparen lässt, wenn man MasterGaN2 mit dem digitalen All-in-One-Leistungscontroller ST-ONE kombiniert. Das EVLONE65W ist ein 65 W starkes Lade-Board für USB Power Delivery 3.1 auf der Grundlage einer Sperrwandlers mit aktiver Klemmung. Das EVLONE65W erreicht mit Abmessungen von 5,8 cm × 3,2 cm × 2,0 cm eine Leistungsdichte von 1831 W/l (30 W/Zoll³). Für resonante LLC-Topologien ermöglichen die Serien MasterGaN1, MasterGaN4 und MasterGaN5 symmetrische Konfigurationen laut ST mit Nennleistungen bis 400 W.

Tatsächlich hat Future Electronics eine Entwicklungsplattform, die GaNSTar, mit zahlreichen Features entwickelt, die mit dem MasterGaN1 bis zu 500 W erreichen kann. GaNSTar implementiert einen resonanten LLC-Wandler mit einem Wirkungsgrad von 96 Prozent. Dieses Entwicklungsboard mit seinem digitalen Regelalgorithmus im Mikrocontroller STM32G4 und dem thermischen Konzept wird voraussichtlich Ende 2022 verfügbar sein.

Die MasterGaN-Produkte werden in Zukunft für eine von zwei weich schaltenden Topologien optimiert. Im Gegensatz hierzu arbeiten die integrierten GaN-Bausteine von anderen bedeutenden Anbietern von GaN-Schaltern – onsemi will vor Ende 2022 integrierte GaN-Treiberprodukte für 650 V vorstellen und Infineon mit ihrem CoolGaN-IPS-Baustein IGI60F1414A1L – mit hartem Schalten und können daher in beliebigen Topologien eingesetzt werden. So implementieren beispielsweise bei onsemi in der Entwicklung befindliche Evaluierungsboards Topologien mit einem 500 W starken Totem-Pole-Wandler als PFC-Stufe einen Sperrwandler mit 65 W und einen 300 W starkem LLC-Wandler.

Kompromiss zwischen Störabstrahlung und Wirkungsgrad

Infineon, M1H, CoolGaN-IPS, Gallium Nitride
Bild 3: Ein externer Widerstand bestimmt bei den CoolGaN-IPS-Bausteinen von Infineon das du/dt.
© Infineon Technologies

In einer anderen Hinsicht unterscheidet sich Infineons CoolGaN-IPS-Familie von allen anderen integrierten GaN-Lösungen auf dem Markt. Bei diesen Bauteilen kann der Entwickler auf das Gate des Transistors zugreifen und die Widerstände bzw. den Kondensator des Gate-Treibers konfigurieren, um das du/dt anzupassen (Bild 3). Dadurch können Entwickler die Schaltverlusten, die elektromagnetische Störabstrahlung und das Überschwingen fein abstimmen. Das kann in Anwendungen mit hoher Störempfindlichkeit äußerst wertvoll sein. Es gibt jedoch einen Nachteil: Der zusätzliche externe Widerstand verlängert den Gate-Source-Kreis, und das erhöht, wie oben beschrieben, die parasitären Induktivitäten.

Wie onsemi hat auch Infineon mehrere Referenzboards auf der Grundlage der CoolGaN-IPS-Familie in der Entwicklung. Dazu gehören ein quasiresonanter Sperrwandler mit 65 W für ein Netzteil mit hoher Leistungsdichte und ein 65-W-Sperrwandler mit aktiver Klemmung.

Weitergehende Integration

Optimierte Treiber mit einem GaN-HEMT zu integrieren, bietet zusätzliche Vorteile, weil dies die Entwicklungszeit und den Aufwand reduzieren kann. Diese Vorteile lassen sich, wie Power Integrations gezeigt hat, über die Integration des Treibers hinaus ausbauen. Wie der Name schon erahnen lässt, ist Power Integrations auf die Lieferung multifunktioneller Produkte spezialisiert. Die AC/DC-Wandlerbausteine InnoSwitch3 und InnoSwitch4 beispielsweise sind stellen Sperrwandler mit integrierten PowiGaN-GaN-Transistoren dar. Diese Bausteine umfassen auch einen synchronen Gleichrichter-Controller und einer galvanisch getrennten FluxLink-Rückkopplung. Diese Bausteine bieten eine Gate-Source-Verbindung mit minimaler Länge und sie erlauben es dem Entwickler, äußerst kompakte und hocheffiziente Schaltungen bei Leistungen bis 110 W zu erstellen. Mit dem HiperPFS-5 liefert Power Integrations außerdem den einen PFC-Controller mit integrierten PowiGaN-GaN-Schaltern für 750 V.

Future Electronics, TobogGaN, Gallium Nitride
Bild 4: Das TobogGaN-Board von Future Electronics ist ein Sperrwandler mit einer Nennleistung bis 60 W.
© Future Electronics

Der Ansatz von Power Integrations lässt sich beispielsweise mit dem TobogGaN-Spannungsversorgungsboard von Future Electronics evaluieren (Bild 4). Dies ist ein 60 W starker AC/DC-Wandler, der auf dem integrierten Sperrwandler-IC InnoSwitch3-Pro mit einem primärseitigen PowiGaN-GaN-Schalter aufbaut. Mit seinem Universal-Netzeingang erreicht das TobogGaN-System bei Volllast einen Wirkungsgrad bis 92 Prozent. Die Ausgangsspannung ist zwischen 5 V und 20 V programmierbar.

Power Integrations ist in diesem Marktsegment jedoch nicht allein. Auch ein Blick auf die ViperGaN-Produkte von ST lohnt sich. Der ViperGaN50 ist ein quasiresonanter Sperrwandler-Controller mit einem GaN-Leistungsschalter. Beim Betrieb mit Netzspannung versorgt er Lasten bis 50 W. Die Ausführungen ViperGaN65 und ViperGaN100 mit höherer Nennleistung befinden sich Mitte 2022 in der Entwicklung. 

Markt reagiert auf Stimulus durch Nachfrage

Die verschiedenen Lösungen für integrierte GaN-Treiber spiegeln die Versuche der Hersteller wider, am Puls des Markts zu bleiben. Mit der nach verhaltenen Anfängen schnell angestiegenen Nachfrage für GaN-Produkte muss sich nun zeigen, ob den Kunden zum Beispiel ein höherer Wirkungsgrad und eine Minimierung der parasitären Induktivitäten wichtiger ist als die Freiheit, das du/dt zu steuern.

Sicher ist, dass der Markt schnell weiter wachsen wird und dass die Hersteller von GaN-Bauteilen intensiv in Entwicklung und Produktion investieren, um diese Nachfrage abzudecken. Für die Kunden ist das gut, denn sie dürfen eine größere Produktauswahl erwarten, mit der sie ihre effizienten GaN-basierten Entwicklungen mit hoher Dichte in der Leistungselektronik optimieren können.


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