Effiziente, flexible Gate-Drive-Power-Lösungen für IGBTs, Silizium- und Siliziumkarbid-MOSFETs mit isolierten DC/DC-Wandlern

Da die Industrie zu höheren Schaltfrequenzen und Spannungen tendiert, um die Leistung zu verbessern und die Größe des Gesamtsystems zu minimieren, wird es für die Entwickler immer schwieriger, ein Gleichgewicht zwischen Kosten, Effizienz und Zuverlässigkeit zu finden. Ein entscheidender Aspekt bei der Optimierung des Designs von Leistungsstufen ist die Auswahl geeigneter Gate-Drive-Lösungen, die sich an die sich ständig ändernden Anforderungen der aktuellen und neuen Transistortechnologien - wie Silizium (Si), Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) - anpassen können. In diesem Beitrag werden die Herausforderungen untersucht, die mit Standard-Gate-Drive-Designs verbunden sind, und die Vorteile der Verwendung isolierter DC/DC-Wandler mit programmierbaren Ausgängen hervorgehoben, um eine effiziente, flexible und zukunftssichere Gate-Drive-Leistung für IGBTs, Si- und SiC-MOSFETs zu erzielen.

Entwickler von Leistungsumwandlungssystemen stehen bei der Auswahl von Gate-Treiberlösungen für ihre Leistungsstufen vor einem Dilemma: Lösungen mit fester Gate-Treiberspannung sind zwar einfach zu implementieren, bieten aber nicht die nötige Flexibilität, um unterschiedliche Anforderungen an die Transistortechnologie zu erfüllen. So variieren beispielsweise die optimalen Gate-Spannungen für IGBTs, Si- und SiC MOSFETs, was bei neueren Transistorgenerationen den Einsatz von Gate-Drive-Schaltungen oder ein komplettes Redesign der Leistungsstufe erfordert.

IGBTs benötigen in der Regel eine positive Gate-Spannung zwischen +15V und +20V, um vollständig einzuschalten. Zur schnellen Abschaltung und zur Vermeidung von Fehlauslösungen benötigen IGBTs eine negative Gate-Spannung zwischen -5V und -15V. Si-MOSFETs benötigen dagegen eine geringere Gate-Spannung, im Allgemeinen zwischen +10V und +15V zum Einschalten und zwischen 0V und -5V zum Ausschalten. SiC-MOSFETs, die aufgrund ihrer hohen Schaltgeschwindigkeiten und ihres niedrigen Durchlasswiderstands verwendet werden, haben Gate-Spannungen, die denen von IGBTs nahe kommen – einige Bauelemente benötigen für eine optimale Leistung bis zu +25V. Die Verwendung von Lösungen mit fester Gate-Treiberspannung für mehrere Transistoren kann zu suboptimaler Leistung, erhöhten Verlusten und Ausfällen aufgrund unzureichender oder zu hoher Gate-Spannungen führen. Entwickler können daher auf separate Gate-Treiberschaltungen zurückgreifen, die auf jeden Transistortyp zugeschnitten sind, was nicht nur die Gesamtkomplexität des Systems, sondern auch die Kosten und den Platz auf der Leiterplatte erhöht.

Die Erhöhung der Schaltfrequenz und der Spannung zur Verbesserung des Wirkungsgrads und der Leistungsdichte bringt einige Herausforderungen mit sich. Höhere Frequenzen erfordern schnellere Schaltvorgänge, was zu erhöhten EMI- und Rauschproblemen führen kann. Schnellere Schaltflanken (hohe dv/dt und di/dt) können Rauschen über die parasitären Kapazitäten der Schaltung einkoppeln, einschließlich des Transistorgehäuses, der Leiterbahnen und der Isolationsbarrieren. Dieses Rauschen stört den ordnungsgemäßen Betrieb der Gate-Treiberschaltung, was zu unbeabsichtigtem Schalten und sogar zu erhöhtem Leistungsverlust und Geräteausfall führt.

Die Verwendung von Hochleistungskomponenten zur Erzielung schnellerer Schaltvorgänge hat ihren Preis, da die Entwickler je nach Anwendung und Marktanforderungen ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Kosten und Leistung finden müssen. Bei kostensensiblen Verbraucheranwendungen können sich die Entwickler zum Beispiel für kostengünstigere Si-MOSFETs oder IGBTs entscheiden. Diese Entscheidung geht zu Lasten von Effizienz und Leistung zugunsten einer billigeren Lösung. Andererseits kann bei Hochleistungsanwendungen in der Industrie oder im Automobilbereich der Einsatz von teuren SiC-MOSFETs gerechtfertigt sein, um Benchmarks für Effizienz, Zuverlässigkeit und Leistungsdichte zu erreichen.

Die Notwendigkeit, die Gesamtgröße des Systems zu reduzieren, ist eine weitere große Herausforderung bei der Entwicklung von Leistungsstufen. Da die Leistungsdichte immer wichtiger wird, müssen die Entwickler Wege finden, um eine stärkere Miniaturisierung zu erreichen und die Gate-Drive-Schaltung nahtlos zu integrieren, ohne Kompromisse bei der Leistung oder Zuverlässigkeit einzugehen. Allerdings sind Standard-Gate-Drive-Lösungen auf diskrete Komponenten und separate Stromversorgungen angewiesen, die wertvollen Platz auf der Platine beanspruchen und das Design verkomplizieren können. Diskrete Gate-Drive-Schaltungen bestehen aus: einem Gate-Drive-IC, einer isolierten Stromversorgung, passiven Bauteilen wie Widerständen, Kondensatoren, Dioden und mehr. Die sorgfältige Auswahl und Platzierung der einzelnen Komponenten auf der Leiterplatte kann nur unter Berücksichtigung von Faktoren wie Verlustleistung, Wärmemanagement und Signalintegrität erfolgen. Mit zunehmender Anzahl der Transistoren in einer Leistungsstufe steigt auch die Komplexität und Größe der Gate-Treiberschaltung.

Die meisten auf dem Markt erhältlichen isolierten DC/DC-Wandler werden mit festen Ausgangsspannungen geliefert. Dieser Mangel an Flexibilität erschwert die Anpassung an die Gate-Spannungsanforderungen verschiedener Transistortechnologien, einschließlich IGBTs, Si- und SiC-MOSFETs. Infolgedessen müssen die Entwickler möglicherweise mehrere isolierte DC/DC-Wandler verwenden oder auf zusätzliche Schaltungen zurückgreifen, um die erforderlichen Gate-Treiberspannungen zu erreichen, was die Komplexität, Größe und Kosten des Systems erhöht.

Um dieses Problem zu lösen, wenden sich Entwickler programmierbaren isolierten DC/DC-Wandlern zu. Diese Wandler vereinen die Funktionalität einer isolierten Stromversorgung und einer Gate-Treiberschaltung in einem einzigen Gehäuse und bieten gleichzeitig die Möglichkeit, die Ausgangsspannungen an die Anforderungen der gewählten Transistortechnologie anzupassen. Durch die Bereitstellung von Gate-Treibern mit programmierbaren Ausgangsspannungen für jeden Transistor können Entwickler die Ein- und Ausschaltcharakteristik ihrer Leistungsstufe optimieren und gleichzeitig das Gesamtdesign vereinfachen und die Systemgröße reduzieren.

Die Verwendung programmierbarer isolierter DC/DC-Wandler bietet die Möglichkeit, die positiven (Vpos) und negativen (Vneg) Gate-Spannungen für einzelne Transistoren unabhängig voneinander zu steuern. Diese Flexibilität ermöglicht den Entwicklern eine Feinabstimmung der Gate-Ansteuerspannungen, wodurch eine vollständige Anhebung und schnelle Entladung des Transistors bei gleichzeitiger Minimierung der Schaltverluste und Verbesserung des Wirkungsgrads gewährleistet wird. Durch die Wahl bestimmter Vpos- und Vneg-Werte können die Gate-Spannungen innerhalb der sicheren Grenzen eines Transistors gehalten und gleichzeitig die Leistung maximiert werden. In einer IGBT-basierten Leistungsstufe kann beispielsweise ein programmierbarer, isolierter DC/DC-Wandler so eingestellt werden, dass er eine Vpos von +15V und eine Vneg von -8V liefert, wodurch beim Einschalten eine volle Verstärkung und beim Ausschalten eine schnelle Entladung der Gate-Kapazität gewährleistet wird. In ähnlicher Weise kann der Wandler in einem SiC-MOSFET-Design so konfiguriert werden, dass er eine Vpos von +20V und eine Vneg von -5V bietet, wodurch die Gate-Treiberspannungen für die spezifischen Anforderungen des SiC-Bauteils optimiert werden.


Ein weiterer Vorteil von isolierten DC/DC-Wandlern ist die stabile, gut geregelte Gate-Spannungsversorgung, unabhängig von der Hauptstromversorgung. In typischen Gate-Drive-Schaltungen wird die Gate-Spannung von der Primärversorgung über einen Linearregler oder eine Bootstrap-Schaltung abgeleitet. Linearregler sind zwar einfach zu implementieren, haben aber einen schlechten Wirkungsgrad und eine höhere Verlustleistung, wenn der Unterschied zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung groß ist. Eine übermäßige Verlustleistung kann zu Problemen beim Wärmemanagement führen und zusätzliche Kühlkörper oder Kühllösungen erforderlich machen. Bootstrap-Schaltungen hingegen nutzen einen Ladungspumpenmechanismus, um die Gate-Spannung des High-Side-Transistors in einer Halbbrücken-Konfiguration bereitzustellen. Daher muss der Bootstrap-Kondensator sorgfältig dimensioniert werden, um sicherzustellen, dass genügend Ladung vorhanden ist, um das Gate des Transistors über die gesamte Einschaltdauer zu steuern. Das Tastverhältnis und die Schaltfrequenz können die Leistung der Schaltung beeinträchtigen und zu Spannungsabfall und Instabilität führen.