Wide-Bandgap-Leistungshalbleiter

SiC und GaN richtig ansteuern

25. Januar 2022, 7:30 Uhr | Riccardo Collura, Future Electronics

Die Leitlinien für die Gate-Ansteuerung von Silizium-MOSFETs oder -IGBTs lassen sich nicht Eins zu Eins auf Wide-Bandgap-Halbleiter (SiC und GaN) übertragen. Dieser Artikel reflektiert einige der Erfahrungen, die ein Team bei Future Electronics mit eigenentwickelten Referenzboards gesammelt hat.

Über die Jahrzehnte konnten Entwickler viel Erfahrung bei der Ansteuerung von siliziumbasierten MOSFETs und IGBTs sammeln. Ihr Verständnis für die jeweiligen Eigenschaften des ausgewählten Schalters bestimmt die Entscheidung, ob ein isolierter oder nichtisolierter Treiber verwendet werden soll, und welche maximale Laufzeitverzögerung in der Anwendung zulässig ist. Leider können Entwickler diese Erfahrungen nicht direkt auf die Gate-Treiberschaltungen der neuen Generation von Wide-Bandgap-Halbleitern (WBG) übertragen: Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC) und Galliumnitrid-HEMTs (GaN; High Electron Mobility Transistor).

Dieser Artikel beruht auf einer Analyse von Future Electronics bei der Entwicklung ihres Referenzentwicklungsboards für eine brückenlose Totem-Pole-Schaltung zur Korrektur des Leistungsfaktors (PFC) und des 60 W starken AC-DC-Wandlers TobogGaN. Dies bietet neue Einsichten zu den möglichen Stolperfallen bei der Auswahl eines diskreten Gate-Treibers für einen Wide-Bandgap-Schalttransistor.

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Wichtige Parameter

Die Entwickler beurteilen die Leistung eines diskreten Gate-Treibers gewöhnlich anhand einer kleinen Anzahl von wichtigen Parametern im Datenblatt. Zu diesen Parametern gehören:

Handhabung negativer Eingangs- und Ausgangsspannungen: Dies liefert einen Hinweis darauf, wie empfindlich die Schaltung auf Ground Bouncing reagiert, das durch die parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten eines ungünstigen Board-Layouts entsteht.
Laufzeitverzögerung: Je kürzer die Verzögerung ist, desto schneller reagiert die Schaltung auf Steuersignale. Dies wirkt sich direkt auf die Performance bei hohen Schaltfrequenzen aus. Eine zu lange Laufzeitverzögerung kann zum Beispiel den Ablauf beim Treiber auf der Primärseite und beim Treiber der Synchrongleichrichtung auf der Sekundärseite stören.
Laufzeitanpassung: Bei einem zweikanaligen Gate-Treiber zur Ansteuerung mehrerer paralleler Schalter kann eine bessere Laufzeitanpassung die Robustheit und Zuverlässigkeit der Schaltung erhöhen.
Betriebstemperaturbereich: Eine hohe maximale Betriebstemperatur erlaubt höhere Verlustleistungen bei höheren Umgebungstemperaturen.

Tabelle 1 zeigt die typischen Werte dieser Parameter bei Silizium-Leistungsschaltern (MOSFET und IGBT) sowie WBG-Halbleitern (SiC und GaN). Es ist klar, dass es erhebliche Unterschiede der wichtigsten Parameter bei Silizium- und WBG-Bauteilen und sogar bei SiC-MOSFETs und GaN-HEMTs gibt. SiC-MOSFET und GaN-HEMT können bei bis zu zehnmal höheren Frequenzen als normale Siliziumbauteile arbeiten. Außerdem tolerieren sie höhere Temperaturen und haben geringere Schalt- und Durchlassverluste. Diese Kombination von Merkmalen macht sie so attraktiv für die Entwickler von Anwendungen wie Ladegeräte für Elektrofahrzeuge, USB-C-Netzteile, Umrichter in Solaranlagen und vieles mehr. In allen diesen Anwendungen ermöglicht der Einsatz von WBG-Schaltern die Entwicklung kleinerer, leichterer und effizienterer Leistungsschaltungen.

Konstruktive Anforderungen an Treiber

Das Ausmaß der Unterschiede zwischen Silizium- und WBG-Schaltern deutet bereits darauf hin, dass für WBG-Bauteile spezielle Gate-Treiber erforderlich sind. Die steigende Nachfrage nach WBG-Bauteilen veranlasst nun deren Hersteller, massiv in Gate-Treiber zu investieren, um ihre Schalterprodukte zu ergänzen. Eine bessere Verfügbarkeit und eine größere Produktauswahl steigern den Wettbewerb und verringern so den Preisaufschlag für diese Spezialteile.

Welche Fragen bestimmen also die Auswahl des korrekten Gate-Treibers für einen SiC-MOSFET oder GaN-HEMT? Die erste Frage ist die der Topologie, in der das Bauteil eingesetzt werden soll. Bei weich schaltenden Topologien, z. B. einer LLC-Schaltung, ist ein isolierter Treiber nicht unbedingt erforderlich und man kann auf eine günstigere nichtisolierte Variante zurückgreifen.

Anders ist dies bei hart schaltenden Topologien wie der brückenlosen Totem-Pole-PFC, wie sie die Referenzschaltung GaNdalf verwendet. Hier wird, zumindest beim Schalter auf der Hochspannungsseite, ein isolierter Gate-Treiber empfohlen. Bei einer Halbbrücken-Topologie sparen (duale) Halbbrücken-Gate-Treiber Platz, weil die Treiber für die Hoch- und Niederspannungsseite der Brücke in einem Gehäuse integriert sind. Bisweilen geben zwei einkanalige Treiber dem Entwickler jedoch mehr Flexibilität an die Hand. Bei Schaltanwendungen mit Frequenzen über 150 kHz kann der Einsatz von zwei Treibern dazu beitragen, Gleichtaktstörungen zu verringern.

Die Auswahl des Treibers für einen GaN-HEMT hängt davon ab, um welchen der beiden Typen es sich handelt: der Kaskoden-Typ lässt sich leichter ansteuern, da er einen integrierten Niederspannungs-Silizium-FET hat. Der Gate-Treiber steuert diesen FET und nicht das GaN-Bauteil selbst an, wodurch ein einfacher, günstiger Gate-Treiber für Siliziumbauteile geeignet ist. Der Nachteil dabei ist, dass dieser Niederspannungs-FET die Ausgangskapazität vergrößert. Das beschränkt die Schaltgeschwindigkeit (du/dt) und führt zu höheren Schaltverlusten. Der andere GaN-Typ, der Enhancement-Mode-GaN-HEMT (e-Mode), erfordert einen speziellen GaN-Gate-Treiber. Dazu später mehr.