GaN DC/DC-Wandler für hocheffiziente Netzteile

16.09.2022
Ein GaN-Chip auf einer Platine mit blauen und violetten Lichtstrahlen
GaN ist das chemische Symbol für Galliumnitrid, ein III-V-Halbleitermaterial, das gemeinhin als „Wide Bandgap“-Material (WBG) bezeichnet wird, da es im Vergleich zu Silizium (Si) einen relativ hohen Energiebedarf hat, um ein Elektron aus dem Valenzband (z. B. Isolator) in das Leitungsband (z. B. Leiter) zu überführen.

Inhaltsverzeichnis

Für einen elektronisch gesteuerten Schalter benötigt man ein Material, das im ausgeschalteten Zustand ein hohes elektrisches Durchbruchsfeld (z. B. eine Sperrspannung) und im eingeschalteten Zustand niederohmige Leitungskanäle aufweist. Deshalb eignen sich WBG-Materialien hervorragend als Halbleiterbauelemente. Weitere WBG-Halbleiter sind Siliziumkarbid (SiC), Galliumarsenid (GaAs) und Aluminiumnitrid (AlN).

Vergleich der Eigenschaften von Si (Silizium), GaN (Galliumnitrid) und 4H-SiC (Siliziumkarbid)
Abb. 1: Radar Chart Benchmarking der Leistungszahlen für WBG-Materialien im Vergleich zu Si, mit freundlicher Genehmigung von PowerRox [1]

GaN bietet weitere Eigenschaften, die es für verschiedene Anwendungen attraktiv machen. Seine hohe Elektronenbeweglichkeit und der hohe Schmelzpunkt ermöglichen Hochstromkanäle und den Betrieb bei höheren Temperaturen beziehungsweise eine erhöhte Zuverlässigkeit bei gleichen oder niedrigeren Temperaturen. Bei der Herstellung von Transistoren können die resultierenden Bauelemente eine geringere Gate-Ladung und einen vergleichbaren Kanalwiderstand im Ein-Zustand (RDS_ON) als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) auf Si-Basis aufweisen. Obwohl es viele Arten von GaN-basierten Schaltern gibt, betrachten wir den GaN-Hoch-Elektronen-Mobilitäts-Transistor (HEMT) als Beispiel (seine Struktur ist in Abbildung 2 dargestellt). Bei aktiviertem Gate fließt der Strom sehr schnell durch die flache GaN-Schicht in einem sogenannten zweidimensionalen Elektronengas (2DEG) [2], wie in der Abbildung durch die gepunktete Linie dargestellt.
GaN-Leistungstransistorstruktur
Abb. 2: Querschnitt eines lateralen GaN-on-Si-Transistors, mit freundlicher Genehmigung von EPC [3]
Während GaN seit vielen Jahrzehnten in Leuchtdioden (LED) und HF-Anwendungen eingesetzt wird, hat sich seine Nutzung in Schaltanwendungen wie Schaltnetzteilen und DC/DC-Wandlern erst in den letzten zehn Jahren deutlich verbreitet. Dank der beschriebenen Eigenschaften können Stromversorgungen mit GaN-Schaltern zentrale Größen-, Gewichts- und Leistungsfaktoren (auch bekannt als SWaP-Faktoren) optimieren, die maßgeblich für das Design moderner Stromversorgungslösungen sind.

Geringere RDS_ON- und Gate-Übergangszeiten tragen dazu bei, Leitungs- und Schaltverluste zu reduzieren, was zu einem insgesamt höheren Wirkungsgrad des Leistungspfads führen kann. Diese Eigenschaften bieten einen weiteren Vorteil, da sie die Ansteuerung der Schalter mit einem geringeren Tastverhältnis (D) ermöglichen, wodurch höhere direkte Umwandlungsverhältnisse realisierbar sind, die mit MOSFETs unpraktisch waren (z. B. direkte Umwandlung von 48V in 1V).

Wenn GaN-Schaltgeschwindigkeiten zur Designherausforderung werden

WBG-Schalter können sehr schnell sein, tatsächlich extrem schnell. Sie kommen idealen Schaltern (z. B. mit einer Übergangszeit von Null), wie sie in Lehrbüchern beschrieben werden, sehr nahe. Diese schnellen Übergänge sind auf die sehr geringe Gate-Ladung und die hohe Elektronenbeweglichkeit von Materialien wie GaN zurückzuführen. Ein- und Ausschaltvorgänge können selbst bei Anwendungen mit höherer Leistung in <1ns (1ns = 10-9s) erfolgen.

Diese Übergänge sind so schnell, dass viele Ingenieure bei Messungen auf ihren Leiterplatten kein Oszilloskop mit ausreichender Bandbreite (BW) einsetzen, um sie korrekt zu erfassen (siehe z. B. das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem [4]). Um Signale mit Übergängen im Nanosekundenbereich zuverlässig zu messen und zu charakterisieren, ist eine Oszilloskop-Bandbreite im GHz-Bereich erforderlich. Solche Oszilloskope sind in der Regel sehr teuer und primär für Hochgeschwindigkeitsdatenanwendungen und weniger für die Analyse von Leistungsstufen ausgelegt.
Oszilloskopspuren: 350 MHz-Klingeln, schnelle Anstiegs- und Abfallzeiten
Abb. 3 Schaltknoten-Wellenformen für den EPC2100, VIN = 12V bis VOUT = 1,2V, IOUT = 25A, 1MHz mit Angabe der Anstiegs- und Abfallzeiten, mit freundlicher Genehmigung von EPC [5]
Die negativen Auswirkungen dieser extrem schnellen Schaltknoten-Übergangsraten sind erhöhte elektromagnetische Interferenzen (EMI) sowie Überschwinger und Oszillationen, die auf unerwünschte Energieflüsse zurückzuführen sind, genauer gesagt auf einen unkontrollierten Fluss energiereicher Übergangsströme gegen Masse in parasitäre Induktivitäten oder äquivalente Serieninduktivitäten (ESL). Im Rahmen dieses Beitrags werden diese Themen nur kurz behandelt, um die wesentlichen Aspekte hervorzuheben, jedoch sollten zusätzliche Ressourcen herangezogen werden, um ein tieferes Verständnis zu erlangen.

In fast allen vergleichbaren Anwendungen (für diese Betrachtung beschränkt auf Nicht-RF-Schaltnetzteile) stellen WBG-Bauteile keinen Ersatz für ihre Si-Gegenstücke dar. Die deutlich geringere Schaltenergie und die hohe Elektronenbeweglichkeit eines GaN-HEMT im Vergleich zu einem Si-FET ermöglichen Übergänge im Nanosekundenbereich, jedoch können diese extrem schnellen Stromänderungen dazu führen, dass zuvor unkritische parasitäre Schleifeninduktivitäten erhebliche Spannungsüberschwinger verursachen, wie in den folgenden Rechenbeispielen gezeigt wird.
Spannungsüberschwingungsgleichung mit parasitärer Induktivität
Gleichung 1 zeigt die Beziehung zwischen Überschwingspannung, parasitärer Induktivität und Stromänderungsrate.
Gleichstromversorgung mit Lastinduktivität
Abb. 4: Darstellung der Stromflüsse (rot/gelb/grün) mit parasitärer Induktivität in einer Boost-dc-dc-Topologie, mit freundlicher Genehmigung von PowerRox [1]
Parasitäre Induktivitäten von nur wenigen Nanohenries können bei Stromanstiegsgeschwindigkeiten (di/dt) in Si-basierten Designs als vernachlässigbar gelten, in GaN-basierten Designs jedoch erhebliche Auswirkungen haben.

Die obenstehende Gleichung verdeutlicht, welche Auswirkungen bereits eine geringe ESL allein durch das Komponentenpaket auf das Design haben kann, und das noch bevor ein optimiertes, kompaktes Layout umgesetzt wurde. Lassen Sie sich jedoch nicht täuschen: Saubere Layouttechniken und bewährte Verfahren für GaN-Schaltungen sind entscheidend im Umgang mit EMI und zur Vermeidung von Ausfällen in DC/DC-Wandlern (d. h. Selbstzerstörung durch unkontrollierte Oszillation, die letztlich zu elektrischer Überlastung oder einem EOS-Szenario führt).

Vergleichstabelle von elektronischen IGBT-, TO247- und SMD-Komponenten

Abb. 5: Berechnung der parasitär-induzierten Spannungsüberschwinger durch gängige Gerätepakete und Charakteristiken, mit freundlicher Genehmigung von PowerRox [1]

Herausforderungen für Gate-Treiber in GaN-DC/DC-Wandlern

Die Gate-Schwellenwerte (Vth) von WBG-Bauelementen sind in der Regel niedriger als bei Si-Gegenstücken und weisen zudem geringere maximale Spannungsfestigkeiten auf, sodass die Anforderungen an den Gate-Treiber zur Nutzung des GaN-Potenzials eine entsprechende Lernkurve bei der Entwicklung und robusten Umsetzung erfordern. Es gibt eine Vielzahl von Lösungen zur Bewältigung dieser Herausforderungen, von integrierten Gate-Treibern über komplette Leistungsstufen bis hin zu qualifizierten Leistungsmodulen.

Das bedeutet, dass im Gate-Treiberkreis besondere Sorgfalt erforderlich ist, da das Risiko eines Shoot-Through oder eines unerwünschten Einschaltens durch hohe Übergangsraten (dV/dt) besteht. Diese wirken auf die Gate-Source-Kapazität (auch Miller-Kapazität oder CGS genannt) und können über die Gate-Drain-Kapazität (CGD) ein unerwünschtes Einschalten auslösen. Tritt dies auf, während ein synchrones Bauelement ebenfalls eingeschaltet ist, kann es zu einem Shoot-Through-Ereignis (auch als Cross-Conduction bezeichnet) kommen. Im besten Fall reduziert dies den Wirkungsgrad, im schlimmsten Fall führt es zum Ausfall des DC/DC-Wandlers.

Verschiedene GaN-Technologien können unterschiedliche Anforderungen an den Gate-Treiber stellen, was einen der anspruchsvollsten Aspekte bei der Entwicklung von GaN-basierten Lösungen darstellt. Einige Bauelemente sind direkt ansteuerbar und als normalerweise ausgeschaltete Bauelemente ausgeführt, während andere eine Kaskodenanordnung verwenden, bei der ein MOSFET im Enhancement Mode (d. h. normalerweise ausgeschaltet) das GaN-Bauelement im Depletion Mode (d. h. normalerweise eingeschaltet) steuert. Einige Lösungen erfordern zudem negative oder versetzte Gate-Treiberspannungen. Aus diesem Grund kann der Einsatz eines geeigneten GaN-Treibers auch bei der Entwicklung eigener DC/DC-Wandler vorteilhaft sein.

GaN-Designressourcen und Best Practices

Es gibt zahlreiche Ressourcen, um sich über GaN-Lösungen zu informieren, sie zu evaluieren und umzusetzen. Einige davon wurden bereits oben genannt. Nutzen Sie diese und vertiefen Sie Ihr Verständnis, insbesondere wenn Sie neu im Bereich WBG und GaN sind. Für ein robustes GaN-basiertes Design sind in der Regel mehrere Design-, Aufbau- und Testiterationen erforderlich.

Zur Erinnerung: GaN ist kein direkter Ersatz für Si und sollte entsprechend nicht als solcher betrachtet werden. In den frühen Phasen des Einsatzes von GaN in Stromversorgungen wurde diese Erkenntnis häufig erst durch praktische Erfahrungen gewonnen, da anfängliche Probleme oft auf unzureichend optimierte Layouts und nicht ausreichend robuste Gate-Treiber-Designs zurückzuführen waren.

Referenzen

[1] E. Shelton, P. Palmer, A. Mantooth, B. Zahnstecher, G. Haynes, „WBG Devices, Circuits and Applications,” APEC 2018 Short Course, San Antonio, TX, 4. März 2018.
[2] Wikipedia contributors, „Two-dimensional electron gas,“ Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Two-dimensional_electron_gas&oldid=955419012 (abgerufen am 27. Mai 2022).
[3] „eGaN® Technology“, EPC FAQs. [Online]. Verfügbar: https://epc-co.com/epc/FAQ/eGaNTechnology.aspx.
[4] Wikipedia contributors, „Nyquist–Shannon sampling theorem,“ Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Nyquist%E2%80%93Shannon_sampling_theorem&oldid=1086141927 (abgerufen am 27. Mai 2022).
[5] „GaN Integration for Higher DC/DC Efficiency and Power Density,“ EPC Application Note AN018. [Online]. Verfügbar: https://epc-co.com/epc/DesignSupport/ApplicationNotes.aspx.