Aufkommende Trends bei Wide Bandgap Gate Drivers

Sowohl die Siliziumkarbid- (SiC) als auch die Galliumnitrid- (GaN) Technologien werden ständig verbessert und bieten höhere Spannungen und geringere Schaltverluste. SiC MOSFETs mit einer Nennspannung von bis zu 2200V sind jetzt als Einzelgeräte oder in Modulen mit bis zu sechs Geräten erhältlich. GaN-Bauteile haben noch immer meist eine Spannung von 650V, aber für Mitte 2024 werden Module mit einer Spannung von 1200V erwartet.

Gate-Treiber-ICs dienen als Schnittstelle zwischen Steuersignalen von digitalen oder analogen Controllern und den Leistungsschaltern (IGBTs, MOSFETs, SiC-MOSFETs oder GaN-HEMTs). Sie liefern die hohen Treiberströme, die zur Überwindung der Gate-Kapazität für schnelle Schaltvorgänge erforderlich sind, und isolieren die Niederspannungs-Treibersignale von den spannungsbezogenen Transistoranschlüssen der High-Side. Zunehmend werden isolierte Gate-Treiber auch für Low-Side-Transistoren verwendet, um die Auswirkungen von Ungleichgewichten im induktiven Pfad zu beseitigen. Gate-Treiber spielen also eine entscheidende Rolle bei der Optimierung der Leistung und Zuverlässigkeit von WBG-Transistoren und werden ständig weiterentwickelt, um neuen Herausforderungen gerecht zu werden.

Integrierte Gate-Treiberlösungen kombinieren beispielsweise häufig mehrere Treiber mit Schutzfunktionen und Fehlererkennung. Diese Produkte reduzieren die Komplexität des Designs, die Entwicklungszeit und die Kosten für die Stückliste und bieten eine höhere Zuverlässigkeit im Vergleich zu diskret implementierten Designs.

So sind beispielsweise GaN-Halbbrückentreiber erhältlich, die unabhängige und TTL-kompatible obere und untere Treiberstufen, eine Logiksteuerung und Schutzvorrichtungen gegen Kurzschluss, Unter- und Überspannung umfassen. Diese Geräte können in verschiedenen Topologien konfiguriert werden, einschließlich synchroner Halbbrücken-, Vollbrücken-, Buck-, Boost- und Buck-Boost-Konfigurationen.

Eine weitere aktuelle Entwicklung sind ultraschnelle Gate-Treiber. Kürzlich eingeführte Bausteine können bis zu 7A Ausgangsstrom mit Anstiegs- und Abfallzeiten von 0,65ns bzw. 0,70ns bei einer 200pF-Last liefern. Mit einem Gate-Treiber-Spannungsbereich von 4,5V - 5,5V sind diese Treiber auf GaN-Bauelemente zugeschnitten.

All diese isolierten Gate-Treibern haben gemeinsam, dass sie eine isolierte Stromversorgung für die isolierte Ausgangsstufe benötigen. Trotz der hohen Spitzenströme beträgt die durchschnittliche Leistungsaufnahme nur wenige Watt, so dass diese DC/DC-Netzteile sehr klein gebaut werden können. Eine weitere Anforderung ist die Notwendigkeit, asymmetrische Spannungen zu erzeugen. So erreichen beispielsweise viele SiC-Transistoren ihre Spitzenleistung, wenn sie mit einer Gate-Treiberspannung von +18V bis -4V angesteuert werden. Andere Bauelemente benötigen möglicherweise andere optimale Gate-Treiberspannungen, z. B. +20V/-5V, +15V/-3V, +6V/-1V oder +15V/-9V.

Angesichts der Schwierigkeiten bei der Ansteuerung von WBG-Transistoren ist es nicht verwunderlich, dass einige Hersteller versuchen, die Probleme ganz zu vermeiden, indem sie SiC- oder GaN-Leistungsbauelemente und Gate-Treiber in einem einzigen Gehäuse kombinieren. Dieser Ansatz hat sowohl Vor- als auch Nachteile. Zu den Vorteilen gehören:

• Platzersparnis. Die Kombination von Gate-Treibern und Leistungstransistoren in einem einzigen Gehäuse reduziert den Footprint der Leiterplatte (PCB), vereinfacht das Layout und senkt die Kosten.
• Verringerung von Störgrößen. Durch die Integration von Gate-Treibern und Leistungstransistoren wird die Verbindungslänge zwischen ihnen minimiert. Diese Verringerung der parasitären Induktivität und Kapazität verbessert die Schaltleistung und reduziert elektromagnetische Störungen (EMI).
• Verbesserte Leistung. Das Co-Packaging ermöglicht eine optimierte Gate-Treiberschaltung. Der Gate-Treiber kann speziell auf die Eigenschaften des Leistungstransistors zugeschnitten werden, was effizientes Schalten und geringere Schaltverluste gewährleistet.
• Verbesserte thermische Leistung. Die Wärmeableitung ist effektiver, wenn Gate-Treiber und Leistungstransistoren denselben Wärmepfad nutzen, was zu einem besseren Wärmemanagement und einer höheren Zuverlässigkeit führt.

Natürlich gibt es auch mögliche Nachteile.

• Begrenzte Flexibilität. Integrierte Gehäuse bieten möglicherweise nicht die Flexibilität, verschiedene Gate-Treiber oder Leistungstransistoren unabhängig voneinander auszuwählen.
• Isolationsanforderungen. Gate-Treiber und Leistungstransistoren müssen elektrisch isoliert werden, um Übersprechen zu verhindern und Sicherheit zu gewährleisten. Co-packaged Lösungen müssen die Isolationsanforderungen effektiv erfüllen.
• Komplexität von Tests und Fehlersuche. Die Fehlersuche wird schwieriger, wenn Gate-Treiber und Leistungstransistoren kombiniert werden. Die Isolierung von Fehlern oder Ausfällen erfordert spezielle Werkzeuge und Fachkenntnisse.

Obwohl die Vorteile des Co-Packaging die Nachteile für Hochgeschwindigkeitsschaltungen mit steilen Ein- und Ausschaltflanken ausgleichen können, besteht weiterhin Bedarf an externen isolierten Stromversorgungen. Diese DC/DC Wandler, Stromversorgungen müssen in der Lage sein, die hohen dv/dt-Schaltübergänge zu bewältigen und müssen daher eine niedrige Isolationskapazität und eine hohe CMTI-Immunität aufweisen.

RECOM verfügt über mehrere Familien von isolierten DC/DC-Wandlern, die für die Versorgung von SiC und GaN Gate-Treibern geeignet sind.

SiC MOSFETs. Die Serien RxxP22005D und RKZ-xx2005D verfügen über asymmetrische Ausgänge von +20V und -5V, um die SiC-MOSFETs effizient und effektiv zu schalten. Die Serie RxxP21503D bietet asymmetrische Ausgangsspannungen von +15 und -3V, die zum effizienten Schalten von SiC-MOSFETs der zweiten Generation erforderlich sind.

GaN HEMTs. GaN-Transistortreiber mit hoher Slew-Rate erreichen mit den DC/DC-Wandlern der Serien RP-xx06S und RxxP06S von RECOM, die sich durch eine hohe Isolationsspannung und eine niedrige Isolationskapazität auszeichnen, eine optimale Schaltleistung bei +6V. Für GaN-Anwendungen, bei denen höheres Rauschen und Interferenzen berücksichtigt werden müssen, bietet RECOM auch Wandler, Stromversorgung mit +9V Ausgangsspannung an, die über eine Zenerdiode auf +6V und -3V aufgeteilt werden kann, um beim Ausschalten eine negative Gate-Spannung zu erzeugen, die sicherstellt, dass die Gate-Spannung unterhalb der Einschaltschwelle bleibt.

In der nachstehenden Tabelle sind die empfohlenen DC/DC-Wandler, Stromversorgungen für WBG-Geräte und IGBTs zusammengefasst.

IGBT RxxP2xx, RxxPxx, RP, RH & RKZ Serien in einem kompakten SIP7 Gehäuse RV & RGZ Serien in einem flachen DIP14-und Mini-DIP24-Gehäuse +15V und -9V Ausgänge Bis zu 6,4kVDC Isolierung 5V, 12V oder 24V Eingänge 1W oder 2W Gesamtleistung Symmetrische Leistung Bis zu 86% Effizienz Betriebstemperatur bis zu +90°C EN zertifiziert 3 Jahre Garantie

SiC Serien RXxP2J 503D, RxxP22005D, RKZ-Xx2005D in einem kompakten SIP7-Gehäuse +15/-3V & +20/-5V Ausgänge SMD RA3 Serie mit +15/-5, +15/-3 oder +20/-5V Ausgängen Bis zu 6,4kVDC Isolierung 5V, 12V, 15V oder 24V Eingänge 2W Gesamtleistung (3W für RA3) Symmetrische Leistung oder symmetrischer Stromausgang Bis zu 87% Effizienz Betriebstemperatur bis zu +90°C EN/IEC/UL zertifiziert 3 Jahre Garantie

GaN RJZ, RK, RP, RV, RxxPxx, RxxP2xx in einem kompakten DIP14, DIP24 oder SIP7 Gehäuse +6V & +9V Ausgänge SMD RA3 Serie mit +7/-1, +8V oder +9V Ausgängen Bis zu 6,4kVDC Isolierung 5V, 12V, 15V oder 24V Eingänge 1W oder 2W Ausgangsleistung (3W für RA3) Bis zu 83% Effizienz Betriebstemperatur bis zu +90°C EN/IEC/UL-zertifiziert 3 Jahre Garantie

Das R-REF-HB Half-Bridge Gate-Drive Power Supply Reference Design (RD) besteht aus einer Halbbrücke, die für Spannungen bis zu 1kVDC geeignet ist, und einer vollständig isolierten Treiberstufe mit isolierten Stromversorgungen für Low-Side- und High-Side-Schalttransistoren.

Der R-REF01-HB enthält zwei DC/DC-Wandler R12P22005D, R12P21503D, R12P21509D und R12P06S und kann Gate-Treiberspannungen erzeugen, die für SiC- und GaN-Bauelemente geeignet sind. Mit diesen Wandlern können die folgenden Gate-Treiberspannungen erzeugt werden:

• +20V/-5V
• +15V/-3V oder +18V*
• +15V/-9V
• +6V

Die RECOM-Ingenieure verfolgen die Entwicklungen in diesem Bereich genau und empfehlen die geeigneten Gate-Treiber-Stromversorgungen, sobald neue Geräte auf den Markt kommen.

Gen IV 35mΩ 650V GaN FETs sind beispielsweise in einem TO-247-Gehäuse mit einem zusätzlichen Kelvin-Source-Pin für eine optimale Schaltsteuerung erhältlich. RECOM empfiehlt die Verwendung des R-REF01-HB mit einer Treiberspannung von +15/-3V, um die maximale Leistung dieser neuen Technologie zu erreichen.

Die Technologie der WBG-Stromversorgungsgeräte ist ein sich schnell entwickelndes Gebiet, und es werden ständig neue Gate-Treiber auf den Markt gebracht, um neue Geräte und Topologien zu unterstützen. RECOM verfolgt diesen Markt genau und unsere Ingenieure sind in der Lage, die geeignete Stromversorgungslösung für Ihre WBG-Anwendung zu empfehlen.