SiC und GaN sind Wide Bandgap (WBG)-Halbleitermaterialien, die in der Leistungselektronik Vorteile gegenüber herkömmlichem Silizium (Si) bieten, da sie schneller schalten und geringere Schaltverluste aufweisen. Sie gewinnen insbesondere in Anwendungen mit hohen Anforderungen an Wirkungsgrad und Leistungsdichte zunehmend an Marktanteil. Die Anwender unterscheiden sich je nach Technologie. SiC, die ausgereiftere Technologie, hat Si-IGBTs in Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge weitgehend ersetzt, während sich GaN vor allem in Ladegeräten für Laptops und ähnlichen Geräten etabliert hat.
Herausforderungen bei Gate-Treiber-Stromversorgungen für SiC- und GaN-Bauelemente
14.06.2024
Gate-Treiber-Stromversorgungen für Siliziumkarbid- (SiC) und Galliumnitrid- (GaN) Bauelemente müssen die besonderen Vorspannungsanforderungen dieser Halbleiter mit großer Bandlücke berücksichtigen. In diesem Blog werden die wichtigsten Überlegungen beim Design von Stromversorgungen für Gate-Treiber in SiC- und GaN-Anwendungen diskutiert.
Inhaltsverzeichnis
Welche Anforderungen gelten für Gate-Treiber von Wide-Bandgap-Bauelementen?
Gate-Treiber für SiC- und GaN-Transistoren müssen an die zulässigen Gate-Spannungen, die Schaltgeschwindigkeit sowie die Isolationsanforderungen der jeweiligen Bauelemente angepasst sein. High-Side-Gate-Treiber erfordern eine galvanische Trennung sowohl des Steuersignals als auch der DC/DC-Stromversorgung. SiC-MOSFETs der ersten Generation benötigen in der Regel eine Gatespannung von +20Vdd während des Einschaltvorgangs, um einen möglichst geringen Einschaltwiderstand zu gewährleisten. Da die Gate-Einschaltschwelle weniger als 2V betragen kann, schwingen SiC-MOSFET-Treiber während der Ausschaltphase üblicherweise auf eine negative Gate-Spannung, um eine hohe Schaltzuverlässigkeit zu erreichen.
Bei Bauelementen der nächsten Generation liegen die optimalen Ein- und Ausschaltspannungen bei +15V oder +18V beziehungsweise −3V oder −4V. Der Gate-Treiber muss sehr schnelle Anstiegs- und Abfallzeiten in der Größenordnung von einigen ns bewältigen können, ansonsten können die meisten Gate-Treiber jedoch problemlos mit asymmetrischen Versorgungsspannungen VDD und VEE betrieben werden. Die Leistungsaufnahme des Gate-Treibers steigt mit höherer Schaltfrequenz, die Spitzenströme werden durch Kondensatoren bereitgestellt, die nahe an den Versorgungspins des Gate-Treibers platziert sind, sodass lediglich DC/DC-Wandler mit einer Leistung von 2W bis 3W erforderlich sind.
Ein GaN-Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) weist typischerweise eine volle Anreicherungsspannung von 7V auf, kann jedoch beschädigt werden, wenn VGS 10V überschreitet, was deutlich niedriger ist als die für SiC-Gate-Treiber erforderlichen Gate-Spannungen. Aufgrund der extrem schnellen Anstiegs- und Abfallzeiten des kapazitätsarmen Gate-Kanals der HEMT-Struktur kann jede übermäßige Induktivität in der externen Gate-Ansteuerung zu Spannungsspitzen oder Schwingungen führen und damit diese Grenzwerte überschreiten. Eine Gate-Treiberspannung von 6V stellt daher einen guten Kompromiss zwischen hoher Effizienz und sicherem Betriebsbereich dar. Im Gegensatz zum SiC-MOSFET kann die Abschaltspannung aufgrund der geringen Kapazität des HEMT-Gate-Kanals bei 0V liegen.
Ein GaN-Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) weist typischerweise eine volle Anreicherungsspannung von 7V auf, kann jedoch beschädigt werden, wenn VGS 10V überschreitet, was deutlich niedriger ist als die für SiC-Gate-Treiber erforderlichen Gate-Spannungen. Aufgrund der extrem schnellen Anstiegs- und Abfallzeiten des kapazitätsarmen Gate-Kanals der HEMT-Struktur kann jede übermäßige Induktivität in der externen Gate-Ansteuerung zu Spannungsspitzen oder Schwingungen führen und damit diese Grenzwerte überschreiten. Eine Gate-Treiberspannung von 6V stellt daher einen guten Kompromiss zwischen hoher Effizienz und sicherem Betriebsbereich dar. Im Gegensatz zum SiC-MOSFET kann die Abschaltspannung aufgrund der geringen Kapazität des HEMT-Gate-Kanals bei 0V liegen.
Welche wichtigen Spezifikationen gelten für WBG-Gate-Treiber-Stromversorgungen?
Gate-Treiber-Stromversorgungen für Wide-Bandgap-Bauelemente müssen die jeweils erforderlichen asymmetrischen Gate-Spannungen bereitstellen und eine robuste galvanische Trennung gewährleisten. Typische Ausgangsspannungen sind +20V / −5V für SiC-MOSFETs der ersten Generation, +15V / −3V für neuere SiC-Bauelemente sowie +6V oder +9V für GaN-HEMTs. Da High-Side-Gate-Treiber häufig mit mehreren Hundert Volt gegenüber Masse betrieben werden, muss der DC/DC-Wandler neben der Signalisolierung auch eine ausreichende Isolation der Stromversorgung bereitstellen.
Die einfachste funktionale Isolierung eines DC/DC-Wandlers kann 1kVDC für eine Sekunde standhalten, ist jedoch für High-Side-Gate-Treiber in Brückenkonfigurationen häufig nicht ausreichend. Die DC/DC-Isolationsspannung sollte mindestens dem Doppelten der Arbeitsspannung entsprechen, wobei hohe Umgebungstemperaturen und die schnellen Schaltvorgänge von SiC- und GaN-Hochleistungstransistoren die Isolationsbarriere zusätzlich belasten. Daher sind hochisolierte DC/DC-Wandler für die Stromversorgung von Gate-Treibern erforderlich.
Die einfachste funktionale Isolierung eines DC/DC-Wandlers kann 1kVDC für eine Sekunde standhalten, ist jedoch für High-Side-Gate-Treiber in Brückenkonfigurationen häufig nicht ausreichend. Die DC/DC-Isolationsspannung sollte mindestens dem Doppelten der Arbeitsspannung entsprechen, wobei hohe Umgebungstemperaturen und die schnellen Schaltvorgänge von SiC- und GaN-Hochleistungstransistoren die Isolationsbarriere zusätzlich belasten. Daher sind hochisolierte DC/DC-Wandler für die Stromversorgung von Gate-Treibern erforderlich.
RECOM DC/DC-Stromversorgungslösungen für SiC- und GaN-Gate-Treiber
RECOMs DC/DC-Wandler für Gate-Treiber sind Drop-in-Module, die eine zuverlässige und langlebige Lösung für Gate-Treiber in WBG-Anwendungen bieten. Sie umfassen eine Reihe isolierter DC/DC-Wandler, die eine einfache Stromversorgung für SiC-MOSFETs oder GaN-HEMT-Leistungsbauelemente ermöglichen. Zu den Merkmalen dieser Wandler zählen asymmetrische Ausgangsspannungen, hohe Isolationsspannungen und niedrige Isolationskapazitäten.
Die folgenden beiden RECOM DC/DC-Wandlerfamilien sind für Gate-Treiber-Anwendungen mit SiC- und GaN-Bauelementen optimiert.
Die folgenden beiden RECOM DC/DC-Wandlerfamilien sind für Gate-Treiber-Anwendungen mit SiC- und GaN-Bauelementen optimiert.
SiC-MOSFETs
Die Serien RxxP22005 und RKZ-xx2005 verfügen über asymmetrische Ausgänge von +20V und -5V, um die SiC-MOSFETs effizient und effektiv zu schalten. Die Serie RxxP21503 bietet asymmetrische Ausgangsspannungen von +15 und -3V, die für das effiziente 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-xx06 und RxxP06 von RECOM, die sich durch hohe Isolationsspannungen und niedrige Isolationskapazitäten auszeichnen, eine optimale Schaltleistung bei +6V. Für GaN-Anwendungen mit erhöhtem Rauschen und stärkeren Interferenzen bietet RECOM zudem Wandler mit +9V Ausgangsspannung an, die über eine Zenerdiode in +6V und −3V aufgeteilt werden können, um beim Ausschalten eine negative Gate-Spannung zu erzeugen und sicherzustellen, dass die Gate-Spannung unterhalb der Einschaltschwelle bleibt.
Die RA3-Serie ist für Gate-Treiber optimiert
RECOMs RA3-Familie ungeregelter 3W DC/DC-Wandler wurde speziell für die Stromversorgung von Transistor-Gate-Treibern entwickelt. Die Module sind mit Eingangsspannungen von 5VDC, 12VDC oder 24VDC sowie mit einfachen oder doppelten asymmetrischen Ausgängen erhältlich und decken die neuesten Si-, SiC- und GaN-Transistoren ab. Das kompakte SMD-Design sorgt für einen minimalen Platzbedarf auf der Leiterplatte, insbesondere auf mehrlagigen Leiterplatten. Die Module bieten eine robuste Isolierung von 5,2kVDC für 1min sowie eine Isolationskapazität von weniger als 10pF. Mit typischen Wirkungsgraden von 78% bis 82% und einem Betriebstemperaturbereich von −40°C bis +85°C bei Volllast erfüllen sie die Anforderungen anspruchsvoller Umgebungen, etwa in Solarwechselrichtern, Induktionsheizungen, der Telekommunikation, EV-Batterieladegeräten und Motorantrieben.
Zukunftssichere Designs für WBGs
Die optimale Kombination der Gate-Treiber-Versorgungsspannungen variiert je nach Transistortyp (IGBT, SiC oder GaN), Hersteller, Technologiegeneration und je nachdem, ob eine Kaskodenkonfiguration verwendet wird (Abbildung 3). Das wirft in der Elektronikindustrie die Frage auf, wie sich Designs zukunftssicher auslegen lassen, sodass künftige Generationen oder alternative Transistoranbieter mit abweichenden optimalen Ein- und Ausschaltspannungen berücksichtigt werden können.
Die Lösung für dieses Dilemma ist der neue Wandler R24C2T25 von RECOM. Dabei handelt es sich um einen isolierten SMD DC/DC-Wandler in einem IC-Gehäuse (SSOP), der speziell für die Stromversorgung isolierter WBG-Gate-Treiber entwickelt wurde. Die geregelten positiven und negativen Ausgangsspannungen lassen sich unabhängig voneinander im Bereich von +2,5V bis +22,5V beziehungsweise −2,5V bis −22,5V über voreingestellte Widerstände einstellen, sodass alle gängigen Gate-Treiberspannungen für IGBT, MOSFET, SiC aller Generationen oder auch GaN mit nur einem Bauteil abgedeckt werden können (Abbildung 4).
Der Ausgang ist bis 3kVrms/1min Basic Grade isoliert und liefert 1,5W über den gesamten Betriebstemperaturbereich von −40°C bis +105°C ohne Derating, beziehungsweise 2W bis +85°C. Der CMTI-Wert (Common Mode Transient Immunity) übersteigt 150kV/µs, sodass das Netzteil auch bei sehr schnellen Schaltflanken eingesetzt werden kann. Das Bauteil nutzt ein SMD-SSOP-Gehäuse, das nahe an den Schalttransistoren montiert werden kann, und die Ausgänge sind vollständig geschützt (UVLO, OTP, SCP, OLP), was eine zuverlässige und sichere Integration ermöglicht.
Die Lösung für dieses Dilemma ist der neue Wandler R24C2T25 von RECOM. Dabei handelt es sich um einen isolierten SMD DC/DC-Wandler in einem IC-Gehäuse (SSOP), der speziell für die Stromversorgung isolierter WBG-Gate-Treiber entwickelt wurde. Die geregelten positiven und negativen Ausgangsspannungen lassen sich unabhängig voneinander im Bereich von +2,5V bis +22,5V beziehungsweise −2,5V bis −22,5V über voreingestellte Widerstände einstellen, sodass alle gängigen Gate-Treiberspannungen für IGBT, MOSFET, SiC aller Generationen oder auch GaN mit nur einem Bauteil abgedeckt werden können (Abbildung 4).
Der Ausgang ist bis 3kVrms/1min Basic Grade isoliert und liefert 1,5W über den gesamten Betriebstemperaturbereich von −40°C bis +105°C ohne Derating, beziehungsweise 2W bis +85°C. Der CMTI-Wert (Common Mode Transient Immunity) übersteigt 150kV/µs, sodass das Netzteil auch bei sehr schnellen Schaltflanken eingesetzt werden kann. Das Bauteil nutzt ein SMD-SSOP-Gehäuse, das nahe an den Schalttransistoren montiert werden kann, und die Ausgänge sind vollständig geschützt (UVLO, OTP, SCP, OLP), was eine zuverlässige und sichere Integration ermöglicht.
Abb. 4: R24C2T25 - Die asymmetrische Ausgangsspannung der Gate-Treiber-Stromversorgung ist adjustierbar.
Fazit
Transistoren mit großer Bandlücke bieten deutliche Vorteile in Hochleistungsanwendungen, stellen Entwickler von Gate-Treiber-Stromversorgungen für SiC und GaN jedoch vor besondere Herausforderungen. Der Standardisolationspegel herkömmlicher DC/DC-Wandler ist für diese Schaltungen häufig nicht ausreichend, sodass spezialisierte Lösungen erforderlich sind. RECOM vereint hohe Isolationsspannungen, asymmetrische Ausgangsspannungen und niedrige Isolationskapazitäten in mehreren DC/DC-Modulfamilien, die für den einfachen Einsatz in SiC- und GaN-Gate-Drive-Designs optimiert sind.
Anwendungen
| Serie | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 |
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R24C2T25
Fokus
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| |||
| 2 |
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RA3
Fokus
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| |||
| 3 |
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RKZ-xx2005
|
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| |||
| 4 |
|
RP-xx06
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| |||
| 5 |
|
RxxP06
|
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| |||
| 6 |
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RxxP21503
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| |||
| 7 |
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RxxP22005
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