DC/DC-Wandler für GaN-Gate-Treiber

Gallium Nitrid (GaN)-Halbleiter sind Komponenten von High Electron Mobility Transistoren (HEMT), einer Klasse von Transistoren mit nahezu perfekten Schalteigenschaften. HEMT bedeutet, dass sich die Elektronen innerhalb der internen Kristallstruktur als zweidimensionales Elektronengas mit sehr hoher Mobilität bewegen, wodurch ein Gerät mit sehr hoher Leitfähigkeit und niedrigem RDS ON entsteht. Die Verwendung der GaN-Chemie erhöht die Durchbruchsspannung, was dazu führt, dass innerhalb des Transistors sehr dünne Schichten dicht beieinander positioniert werden können. Dadurch wird sowohl die Schaltgeschwindigkeit beschleunigt als auch die Gate-Kapazität reduziert.

Die extreme Dünnheit der Gate-Isolationsschicht bedeutet, dass hohe Gate-Source-Spannungen einen internen Überschlag verursachen, obwohl das Material selbst eine hohe Durchbruchspannung aufweist. Ein GaN E-HEMT hat eine typische volle Anhebungsspannung von 7V, wird aber beschädigt, wenn die VGS ±10V überschreitet, was viel niedriger ist als die Gate-Spannungen, die typischerweise in IGBT- oder SiC-Gate-Treibern verwendet werden. Aufgrund der extrem schnellen Anstiegs- und Abfallzeiten des kapazitätsarmen Gate-Kanals kann jede übermäßige Induktivität in der externen Gate-Ansteuerung zu Spannungsspitzen oder Rufspannung führen, was ein Überschreiten dieser Spannungsgrenzen zur Folge hat. Daher ist eine Gate-Treiberspannung von 6V ein guter Kompromiss zwischen hoher Effizienz und dem Verbleib in einem sicheren Betriebsbereich.

IGBT- oder SiC-Gate-Treiberschaltungen schalten typischerweise auch mit einer negativen Gate-Treiberspannung ab. Dies beschleunigt die Ladungsentnahme aus der Gate-Kapazität und damit die Abschaltzeit. GaN-Transistoren haben eine so geringe Gate-Kapazität, dass eine negative Gate-Ansteuerung nicht notwendig ist. Eine Gate-Spannung von 0V schaltet den HEMT innerhalb von Nanosekunden vollständig und zuverlässig ab. Nur wenn das Layout eine zu hohe Induktivität aufweist, würde ein negativer Gate-Treiber Schutz vor unbeabsichtigtem Einschalten durch Überschwingungen bieten. Da HEMTs jedoch keine Body-Diode wie MOSFETs haben und symmetrisch leitende Geräte sind, erhöht eine negative Gate-Spannung die Sperrleitungsverluste. Eine einseitige Gate-Treiberspannung von 6V-0V ist ideal.

Abbildung 2 zeigt typische Gate-Treiberspannungen, die üblicherweise verwendet werden. Zum Vergleich werden auch typische Gate-Treiber-Versorgungsspannungen für IGBT und SiC MOSFETS der 1. und 2. Generation gezeigt:

1: Die meisten ultraschnellen Gate-Treiber-ICs verfügen über eine Under-Voltage-Lockout-Funktion (UVLO), die den Ausgang deaktiviert, wenn die Versorgungsspannung zu niedrig ist. Diejenigen Vorrichtungen, die für IGBT/SiC-Anwendungen gedacht sind, haben oft einen relativ hohen UVLO-Pegel, da sie für den Betrieb mit Versorgungsspannungen von bis zu 24V ausgelegt sind. Es muss ein Gate-Treiber gewählt werden, der mit den viel niedrigeren Gate-Spannungen, die in GaN verwendet werden, kompatibel ist.

2: Der zum Laden und Entladen der Gate-Kapazität benötigte Strom hängt von der Gate-Kapazität und der Änderungsrate der Gate-Spannung ab. Obwohl die GaN-Gate-Kapazität recht niedrig ist, bedeutet hohes dv/dt, dass ein Gate-Treiber mit einer Stromtreiberfähigkeit von mindestens ±0,5A (oder besser 1A-Sink) erforderlich ist. Dieser Spitzenstrom wird von einem Keramikkondensator geliefert, der so nah wie möglich an den Treiberpins montiert ist, so dass der durchschnittliche Versorgungsstrom viel niedriger (im Bereich von einigen zehn Milliampere) sein wird. Der Gate-Treiber-Sink-Antrieb sollte niederohmig sein (<2 Ohm), um die Möglichkeit einer Querleitung zu verringern (siehe nächsten Kommentar).

Die Bootstrap-Diode muss eine ultraschnelle Erholungseigenschaft haben. Wenn sie nicht so schnell wie der GaN-Transistor abschalten kann, fließt ein Rückstrom zurück in die VDD-Versorgung. Diese Stromspitzen beeinträchtigen nicht nur die Lebensdauer der Diode, sondern die daraus resultierenden Hochfrequenzstörungen auf der Versorgungsschiene führen zu einer Beeinträchtigung der EMV-Konformität.

Die Bootstrap-Versorgungsspannung des Gate-Treibers ist abhängig von der Differenz zwischen der VDD-Versorgung und der kapazitiv gekoppelten Ausgangsspannung (Schaltknoten). Das bedeutet, dass die Spannung über dem Bootstrap-Kondensator während des Betriebs um mehr als ±20% schwanken kann.

Es entsteht ein Spannungsabfall über der Hochspannungs-Bootstrap-Diode von ca. 0,8-1,0V, was bedeutet, dass eine Versorgungsspannung von 7V erforderlich ist, um die erforderliche VDDH-Spannung von 6V zu erreichen. Die Schaltspannung kann jedoch während des Durchlassens bis zu +0,5V betragen, was bedeutet, dass die effektive Gate-Treiber-Versorgungsspannung nur 5,5V beträgt. Wenn die Gate-Treiber-Versorgungsspannung zu niedrig ist, wird der GaN-HEMT nicht vollständig verstärkt und die Leitungsverluste sind höher. Diese Bedingung ist besonders kritisch im Burst-Modus oder für den ersten Impuls nach dem Einschalten, wenn der Bootstrap-Kondensator aufgrund des schmalen ersten Impulses möglicherweise nicht vollständig geladen ist.



Es ist jedoch nicht ratsam, die Versorgungsspannung auf 7,5V zu erhöhen, um eine minimale VDDH-Spannung von 6V zu gewährleisten, ...