WBG-Bauelemente bieten einzigartige Chancen zur Verbesserung der Gate-Treiber-Stromversorgungen
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.
SiC und GaN sind Wide Bandgap (WBG)-Halbleitermaterialien, die in der Leistungselektronik Vorteile gegenüber herkömmlichem Silizium (Si) bieten, da sie schneller und mit geringeren Verlusten schalten können. Sie gewinnen einen beträchtlichen Marktanteil bei Anwendungen, bei denen ein hoher Wirkungsgrad und eine hohe Leistungsdichte von entscheidender Bedeutung sind.
Die Anwender sind je nach Technologie unterschiedlich. SiC, die ausgereiftere Technologie, hat Si IGBTs für die Stromversorgung von Wechselrichtern in Elektrofahrzeugen weitgehend ersetzt, und GaN hat sich in Ladegeräten für Laptops und ähnlichen Geräten durchgesetzt.
Die Anwender sind je nach Technologie unterschiedlich. SiC, die ausgereiftere Technologie, hat Si IGBTs für die Stromversorgung von Wechselrichtern in Elektrofahrzeugen weitgehend ersetzt, und GaN hat sich in Ladegeräten für Laptops und ähnlichen Geräten durchgesetzt.
Anforderungen an Gate-Treiber für WBG-Geräte
Die Gate-Treiber für SiC- und GaN-Transistoren müssen auf die spezifischen Eigenschaften der einzelnen Bauelemente zugeschnitten sein. Bei High-Side-Gate-Treibern müssen der Gate-Treiber und seine DC-Versorgung voneinander isoliert sein.
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 in der Regel auf eine negative Gate-Spannung, um eine optimale Schaltzuverlässigkeit zu erreichen.
Bei Bauelementen der nächsten Generation liegen die optimalen Ein- und Ausschaltspannungen bei +15 oder +18V bzw. -3 oder -4V. Der Gate-Treiber muss sehr schnelle Anstiegs- und Abfallzeiten in der Größenordnung von einigen ns bewältigen können, aber ansonsten können die meisten Gate-Treiber problemlos mit asymmetrischen Versorgungsspannungen VDD und VEE verwendet werden. Die Leistungsaufnahme des Gate-Treibers steigt mit höherer Schaltfrequenz, aber die Spitzenströme des Gate-Treibers werden von Kondensatoren geliefert, die in der Nähe der Pins für die Stromversorgung des Treibers platziert sind, sodass nur DC/DC-Wandler mit geringer Leistung von 2W bis 3W erforderlich sind.
Ein GaN-Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) hat eine typische volle Anreicherungsspannung von 7V, wird aber beschädigt, wenn VGS 10V übersteigt, was viel 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 Spannungsschwingungen führen, was eine Überschreitung dieser Spannungsgrenzen zur Folge hat. Daher ist eine Gate-Treiberspannung von 6V ein guter Kompromiss zwischen hoher Effizienz und einem sicheren Betriebsbereich. Im Gegensatz zum SiC-MOSFET kann die Abschaltspannung aufgrund der geringen Kapazität des HEMT-Gate-Kanals bei null Volt liegen.
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 in der Regel auf eine negative Gate-Spannung, um eine optimale Schaltzuverlässigkeit zu erreichen.
Bei Bauelementen der nächsten Generation liegen die optimalen Ein- und Ausschaltspannungen bei +15 oder +18V bzw. -3 oder -4V. Der Gate-Treiber muss sehr schnelle Anstiegs- und Abfallzeiten in der Größenordnung von einigen ns bewältigen können, aber ansonsten können die meisten Gate-Treiber problemlos mit asymmetrischen Versorgungsspannungen VDD und VEE verwendet werden. Die Leistungsaufnahme des Gate-Treibers steigt mit höherer Schaltfrequenz, aber die Spitzenströme des Gate-Treibers werden von Kondensatoren geliefert, die in der Nähe der Pins für die Stromversorgung des Treibers platziert sind, sodass nur DC/DC-Wandler mit geringer Leistung von 2W bis 3W erforderlich sind.
Ein GaN-Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) hat eine typische volle Anreicherungsspannung von 7V, wird aber beschädigt, wenn VGS 10V übersteigt, was viel 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 Spannungsschwingungen führen, was eine Überschreitung dieser Spannungsgrenzen zur Folge hat. Daher ist eine Gate-Treiberspannung von 6V ein guter Kompromiss zwischen hoher Effizienz und einem sicheren Betriebsbereich. Im Gegensatz zum SiC-MOSFET kann die Abschaltspannung aufgrund der geringen Kapazität des HEMT-Gate-Kanals bei null Volt liegen.
Wichtige Spezifikationen für WBG-Gate-Treiber-Stromversorgungen
Eine Stromversorgung für SiC- oder GaN-Gate-Treiber muss in der Lage sein, die oben genannten erforderlichen Spannungspegel zu liefern. Sie besteht aus einem isolierten DC/DC-Wandler, der typischerweise +20/-5V für SiC-MOSFETs (+15/-3V für Geräte der 2. Generation) oder +6V und +9V für GaN-HEMTs liefert.
Die High-Side-Treiberschaltungen in vielen SiC- und GaN-Anwendungen liegen oft mit Hunderten von Volt über der Masse, was eine galvanische Isolierung der Treiber und der zugehörigen Schaltungen erfordert. Optokoppler bieten eine Isolierung für das Steuersignal, aber es besteht die Notwendigkeit einer Isolierung für die Stromversorgung.
Die einfachste (funktionale) Isolierung eines DC/DC-Wandlers kann 1kVDC für eine Sekunde standhalten, aber das ist für die High-Side-Gate-Treiber in einer Brückenkonfiguration oft nicht ausreichend. Die DC/DC-Isolationsspannung sollte mindestens das Doppelte der Arbeitsspannung betragen, aber die hohe Umgebungstemperatur und das schnelle Schalten, das von SiC- und GaN-Hochleistungstransistoren erzeugt wird, belasten die Isolationsbarriere zusätzlich. Daher sind hochisolierte DC/DC-Wandler zur Stromversorgung der Gate-Treiber erforderlich.
Die High-Side-Treiberschaltungen in vielen SiC- und GaN-Anwendungen liegen oft mit Hunderten von Volt über der Masse, was eine galvanische Isolierung der Treiber und der zugehörigen Schaltungen erfordert. Optokoppler bieten eine Isolierung für das Steuersignal, aber es besteht die Notwendigkeit einer Isolierung für die Stromversorgung.
Die einfachste (funktionale) Isolierung eines DC/DC-Wandlers kann 1kVDC für eine Sekunde standhalten, aber das ist für die High-Side-Gate-Treiber in einer Brückenkonfiguration oft nicht ausreichend. Die DC/DC-Isolationsspannung sollte mindestens das Doppelte der Arbeitsspannung betragen, aber die hohe Umgebungstemperatur und das schnelle Schalten, das von SiC- und GaN-Hochleistungstransistoren erzeugt wird, belasten die Isolationsbarriere zusätzlich. Daher sind hochisolierte DC/DC-Wandler zur Stromversorgung der Gate-Treiber erforderlich.
RECOM-Lösungen für SiC- und GaN-Gate-Treiber
RECOMs DC/DC Wandler für Gate-Treiber sind Drop-in-Module, die eine zuverlässige, langlebige Lösung für Gate-Treiber in WBG-Anwendungen bieten. Sie bieten eine Reihe von isolierten DC/DC Wandlern, die eine einfache Lösung für die Stromversorgung von SiC MOSFET oder GaN HEMT Leistungsbauelementen darstellen. Zu den Merkmalen dieser Wandler gehören asymmetrische Ausgangsspannungen, hohe Isolationsspannung und niedrige Isolationskapazitäten.
Welche sind die optimalen RECOM DC/DC Wandler für SiC und GaN Antriebstechnologien?
Welche sind die optimalen RECOM DC/DC Wandler für SiC und GaN Antriebstechnologien?
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 für das effiziente Schalten von SiC-MOSFETs der zweiten Generation erforderlich sind.
Die Serie RxxP21503D 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-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 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.
Die RA3-Serie ist für Gate-Treiber optimiert
RECOMs RA3-Familie ungeregelter 3-Watt-DC/DC-Wandler wurde speziell für die Stromversorgung von Transistor-Gate-Treibern entwickelt. Die Module sind mit Eingangsspannungen von 5, 12 oder 24VDC mit einfachen oder doppelten asymmetrischen Ausgängen erhältlich und decken die neuesten Si-, SiC- und GaN-Transistoren ab.
Das kompakte SMD-Design sorgt dafür, dass der Platzbedarf auf der Leiterplatte minimal ist - insbesondere auf mehrlagigen Leiterplatten. Die Module bieten eine robuste 5,2kVDC/1min Isolierung und eine Isolationskapazität von weniger als 10pF. Mit typischen Wirkungsgraden von 78% bis 82% erfüllt der Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +85°C bei Volllast die rauen Umgebungsanforderungen für Solarwechselrichter sowie für Induktionsheizungen, Telekommunikation, EV-Batterieladegeräte und Motorantriebe.
Das kompakte SMD-Design sorgt dafür, dass der Platzbedarf auf der Leiterplatte minimal ist - insbesondere auf mehrlagigen Leiterplatten. Die Module bieten eine robuste 5,2kVDC/1min Isolierung und eine Isolationskapazität von weniger als 10pF. Mit typischen Wirkungsgraden von 78% bis 82% erfüllt der Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +85°C bei Volllast die rauen Umgebungsanforderungen für Solarwechselrichter sowie für Induktionsheizungen, Telekommunikation, EV-Batterieladegeräte und Motorantriebe.
Zukunftssichere Designs für WBGs
Die optimale Gate-Treiber-Versorgungsspannungskombination variiert je nach Transistortyp (IGBT, SiC oder GaN), Hersteller, Technologiegeneration und ob eine Kaskodenkonfiguration verwendet wird oder nicht (Abbildung 3). Dies hat in der Elektronikindustrie zu einiger Besorgnis geführt. Wie kann das Design zukunftssicher gestaltet werden, sodass künftige Generationen oder alternative Source-Transistoranbieter mit unterschiedlichen optimalen Ein- und Ausschaltspannungen problemlos 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 von isolierten WBG Gate-Treibern entwickelt wurde. Die geregelten positiven und negativen Ausgangsspannungen können unabhängig voneinander im Bereich von +2,5V bis +22,5V / -2,5V bis -22,5V über voreingestellte Widerstände eingestellt werden, sodass alle vorhandenen Gate-Treiberspannungen für IGBT, MOSFET, SiC (alle Generationen) oder sogar GaN mit nur einem Teil 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 (2W bis +85°C). Der CMTI-Wert (Common Mode Transient Immunity) übersteigt 150kV/µs, sodass das Netzteil mit sehr schnellen Schaltflanken verwendet werden kann. Das Bauteil verwendet ein SMD-SSOP-Gehäuse, das in der Nähe der Schalttransistoren montiert werden kann, und die Ausgänge sind vollständig geschützt (UVLO, OTP, SCP, OLP), was eine sorgenfreie Installation 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 von isolierten WBG Gate-Treibern entwickelt wurde. Die geregelten positiven und negativen Ausgangsspannungen können unabhängig voneinander im Bereich von +2,5V bis +22,5V / -2,5V bis -22,5V über voreingestellte Widerstände eingestellt werden, sodass alle vorhandenen Gate-Treiberspannungen für IGBT, MOSFET, SiC (alle Generationen) oder sogar GaN mit nur einem Teil 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 (2W bis +85°C). Der CMTI-Wert (Common Mode Transient Immunity) übersteigt 150kV/µs, sodass das Netzteil mit sehr schnellen Schaltflanken verwendet werden kann. Das Bauteil verwendet ein SMD-SSOP-Gehäuse, das in der Nähe der Schalttransistoren montiert werden kann, und die Ausgänge sind vollständig geschützt (UVLO, OTP, SCP, OLP), was eine sorgenfreie Installation ermöglicht.
Abb. 4: R24C2T25 - Die asymmetrische Ausgangsspannung der Gate-Treiber-Stromversorgung ist adjustierbar.
Schlussfolgerung
Transistoren mit breiter Bandlücke bieten einzigartige Vorteile bei Hochleistungsanwendungen, stellen aber die Designer von SiC- und GaN-Gate-Treiber-Stromversorgungen vor Herausforderungen. Der Standard-Isolationspegel eines DC/DC-Wandlers reicht für diese Schaltungen nicht aus, sodass spezielle Lösungen erforderlich sind. RECOM kombiniert die erforderliche hohe Isolationsspannung, asymmetrische Ausgangsspannungen und niedrige Isolationskapazitäten in mehreren Familien von DC/DC-Modulen, die für den einfachen Einsatz in SiC- und GaN-Gate-Drive-Designs optimiert sind.
| Serie | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| 1 |
|
RA3
Fokus
|
|
| |
| 2 |
|
RxxC2Txx
Fokus
Neu
|
|
| |
| 3 |
|
RKZ-xx2005
|
|
| |
| 4 |
|
RP-xx06
|
|
| |
| 5 |
|
RxxP06
|
|
| |
| 6 |
|
RxxP21503
|
|
| |
| 7 |
|
RxxP22005
|
|
|