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Wide-Bandgap-Leistungshalbleiter

SiC und GaN richtig ansteuern

25. Januar 2022, 07:30 Uhr | Riccardo Collura, Future Electronics, Ralf Higgelke

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.

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Fortsetzung des Artikels von Teil 3

Glossar

Störfestigkeit gegenüber Gleichtaktimpulsen (CMTI) bei isolierten Gate-Treibern: die maximal zulässige Anstiegs- oder Abfallrate der zwischen zwei isolierten Kreisen anliegenden Gleichtaktspannung. Eine hohe CMTI bedeutet, dass die beiden isolierten Kreise auf der Sender- und Empfängerseite innerhalb der Spezifikation des Datenblatts funktionieren werden.
Miller-Klemmung: ein Schalter mit niedriger Impedanz, der den von du/dt erzeugten Strom zurückleitet. Die Miller-Klemmung hält das Bauteil im gesperrten Zustand, indem sie das Gate des MOSFET entweder mit Masse oder einer negativen Versorgungsspannung verbindet.
DESAT (Desaturation): die verbreitetste Überstrom-Schutzschaltung. Sie ist einfach zu implementieren und daher die Standardauswahl in vielen Anwendungen.
Bootstrap-Schaltung: eine Ladungspumpe zur Spannungserhöhung, bestehend aus einem Schalter, einem Kondensator und einer Diode, wobei eine Spannung aus der Schaltspannung Uin plus der internen Versorgungsspannung bei der Hochspannungsseite von n-Kanal-MOSFETs zur Ansteuerung des Gates genutzt wird.
Totzeit: Zeitraum, während dem in einer Halbbrücken-Konfiguration kein Bauteil eingeschaltet ist, um eventuelle Überschneidungen zu vermeiden. Die Totzeit wird durch einige Faktoren beeinflusst: die Impulsbreitenverzerrung, die Laufzeitverzögerung sowie die Anstiegs- und Abfallzeiten. Es ist wichtig, eine Mindest-Totzeit aufrechtzuerhalten, um den Wirkungsgrad des Wandlers zu verbessern. Während der Totzeit fließt Strom durch die parasitäre Body-Diode zurück. Diese Body-Diode hat einen sehr viel größeren Spannungsabfall als das Bauteil selbst und dadurch auch höhere Durchlassverluste. Je länger die Totzeit ist, desto höher sind die Verluste, die den Wirkungsgrad verringern und Wärme erzeugen. Daher sollte die Totzeit so kurz wie möglich gehalten werden, indem ein Gate-Treiber mit niedriger Impulsbreitenverzerrung, geringer Laufzeitverzögerung und kurzen Anstiegs- und Abfallzeiten eingesetzt wird.
Impulsbreitenverzerrung: wird bestimmt durch Unterschiede bei der Laufzeitverzögerung der ansteigenden und abfallenden Flanken.
Laufzeitverzögerung: Als einer der wichtigsten Parameter eines Gate-Treibers beeinflusst sie die Verluste und die Sicherheit von Systemen mit hoher Schaltfrequenz. Sie ist definiert als die Zeitdifferenz zwischen 50 Prozent am Eingang und 50 Prozent am Ausgang. Diese Verzögerung wirkt sich auf das Timing des Schaltvorgangs zwischen den Bauteilen aus, das bei Anwendungen mit hoher Schaltfrequenz, bei denen die Totzeit oder die Ausschaltzeit zwischen Bauteilen beschränkt ist, besonders kritisch ist.
Schutzschaltung gegen Unterspannung (UVLO): überwacht die Anschlüsse zur Spannungsversorgung eines Gate-Treibers, um zu gewährleisten, dass die Spannung oberhalb eines bestimmten Werts bleibt und so ein korrekter Betrieb aufrechterhalten wird.