Wide-Bandgap-Leistungshalbleiter
SiC und GaN richtig ansteuern
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.
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Gate-Treiber für e-Mode-GaN-HEMTs
E-Mode-GaN-HEMTs wie die CoolGaN-Familie von Infineon haben eine niedrige Schwellenspannung – 1,2 V typisch –, und der Spitzenstrom zur Gate-Ansteuerung beträgt bei einer Ansteuerspannung von 8 V weniger als 1 A. Um das Bauteil im Durchlasszustand zu halten, ist ein dauernder Strom von 5 mA bis 10 mA erforderlich. Bei einer negativen Gate-Source-Spannung sperrt ein HEMT mit einer Stromspitze aus dem Gate. Anschließend geht die Spannung nach 0 V und wird nach einem langen Intervall negativ, um den gesperrten Zustand zu halten (Bild 2).
Es ist wichtig, einen Treiber zu wählen, der die Möglichkeit bietet, das Timing dieser Vorgänge zu konfigurieren. So wird die Gefahr von Schäden am HEMT vermieden, da ein einziger Überschwinger der Gate-Source-Spannung das Bauteil dauerhaft beschädigen kann.
Vorteile von integrierten Treibern bei HEMTs
Bei den meisten Anwendungen mit einer Leistung von weniger als 1 kW ist der Treiber gewöhnlich im GaN-HEMT integriert. Eine solche integrierte Lösung vereinfacht das Layout der Leiterplatte und verringert Störabstrahlung durch das hochfrequente Schalten, die das übrige System beeinflusst. Beispiele eines solchen integrierten Bauteils sind die Bausteinfamilien InnoSwitch3 und InnoSwitch4-CZ von Power Integrations für Anwendungen bis 100 W. Diese Bauteile enthalten einen PowiGaN-HEMT für Nennspannungen bis 750 V, einen quasiresonanten Leistungs-Controller, eine FluxLink-Schnittstelle, die den Optokoppler überflüssig macht, und einen Controller für die synchrone Gleichrichtung.
Die Entwickler können mit diesen Bauteilen sehr hohe Leistungsdichten erreichen. Das TobogGaN-Board von Future Electronics ist ein AC-DC-Wandler für bis zu 60 W mit Abmessungen von nur 58 mm × 49 mm × 32 mm und einer Leistungsdichte von 20 W/in³. Zentrales Bauteil ist der InnoSwitch3-Pro von Power Integrations.
Eine andere Option ist die MasterGaN-Plattform von STMicroelectronics für weich schaltende Topologien bis 500 W. Die integrierte Leistungsstufe CoolGaN IPS von Infineon kombiniert einen CoolGaN-Schalter für 600 V mit speziellen Gate-Treibern aus der EiceDriver-Familie im thermisch optimierten QFN-Gehäuse. Diese IPS-Komponenten sind sowohl in einkanaligen als auch in Halbbrückenkonfigurationen verfügbar.
Zusammenfassung
Dieser Artikel hat gezeigt, dass bei der Auswahl eines Gate-Treibers für einen SiC-MOSFET oder GaN-HEMT besondere Sorgfalt erforderlich ist. Andererseits kann ein korrekt implementiertes System mit WBG-Halbleitern im Vergleich zu siliziumbasierten Lösungen höhere Leistung und Zuverlässigkeit zu niedrigeren Kosten bieten.
Bei Gate-Treibern für SiC-MOSFETs zahlt sich eine genaue Untersuchung der Angaben im Datenblatt und eine besondere Aufmerksamkeit hinsichtlich der Gefahr eines parasitären Durchschaltens aus, während für die Anwender von GaN-HEMTs eine breite Auswahl integrierter Systeme aus Treiber und Schalter als einsatzfertige Lösung bereitsteht. Diese können für Anwendungen mit niedriger bis mittlerer Leistung die Auswahl eines geeigneten Treibers ersparen.
Riccardo Collura
ist EMEA Vertical Segment Manager (Power), bei Future Electronics.
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