Effiziente Gate-Treiber-Lösungen für IGBTs, Silizium- und Siliziumkarbid-MOSFETs

Da die Industrie zunehmend höhere Schaltfrequenzen und Spannungen einsetzt, um die Leistung zu steigern und die Systemgröße zu reduzieren, stehen Entwickler vor der Herausforderung, ein Gleichgewicht zwischen Kosten, Effizienz und Zuverlässigkeit zu finden. Ein wesentlicher Aspekt der Optimierung des Leistungsstufendesigns ist die Auswahl der richtigen Gate-Treiber-Lösungen, die sich an die weiterentwickelnden Anforderungen der Transistortechnologien, einschließlich Silizium (Si), Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), anpassen lassen. In diesem Beitrag werden die Herausforderungen traditioneller Gate-Treiber-Designs untersucht 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 erreichen.

Entwickler von Leistungsumwandlungssystemen stehen bei der Auswahl von Gate-Treiberlösungen für ihre Leistungsstufen vor einer Herausforderung. Lösungen mit fester Gate-Treiberspannung sind zwar einfach zu implementieren, bieten jedoch nicht die nötige Flexibilität, um den unterschiedlichen Anforderungen verschiedener Transistortechnologien gerecht zu werden. So variieren beispielsweise die optimalen Gate-Spannungen für IGBTs, Si- und SiC-MOSFETs, was häufig den Einsatz separater Gate-Treiberschaltungen oder sogar ein komplettes Redesign der Leistungsstufe erforderlich macht, wenn auf neuere Transistorgenerationen umgestellt wird.

IGBTs benötigen in der Regel eine positive Gate-Spannung zwischen +15V und +20V, um vollständig einzuschalten. Für eine schnelle Abschaltung und zur Vermeidung von Fehlauslösungen ist eine negative Gate-Spannung zwischen -5V und -15V erforderlich. Si-MOSFETs benötigen hingegen eine geringere Gate-Spannung, typischerweise zwischen +10V und +15V zum Einschalten und zwischen 0V und -5V zum Ausschalten.

SiC-MOSFETs, die für ihre hohen Schaltgeschwindigkeiten und geringen Durchlasswiderstände bekannt sind, erfordern Gate-Spannungen, die denen von IGBTs ähnlich sind. Einige Bauelemente benötigen sogar bis zu +25V für eine optimale Leistung. Die Verwendung von Lösungen mit fester Gate-Treiberspannung für mehrere Transistorarten kann zu suboptimaler Leistung, erhöhten Verlusten und Ausfällen führen, da die Gate-Spannung entweder unzureichend oder zu hoch ist. Um dieses Problem zu lösen, greifen Entwickler möglicherweise auf separate Gate-Treiberschaltungen für jeden Transistortyp zurück, was sowohl die Systemkomplexität als auch die Kosten und den Platzbedarf auf der Leiterplatte erhöht.

Die Erhöhung der Schaltfrequenz und der Spannung zur Verbesserung von Wirkungsgrad und Leistungsdichte stellt Entwickler vor verschiedene Herausforderungen. 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, erhöhtem Leistungsverlust und sogar zu Geräteausfällen führen kann.

Um schnellere Schaltvorgänge zu erreichen, werden Hochleistungskomponenten benötigt, die jedoch einen höheren Preis haben. Entwickler müssen ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Kosten und Leistung finden, abhängig von der Anwendung und den Marktanforderungen. Bei kostensensiblen Verbraucheranwendungen entscheiden sich Entwickler häufig für günstigere Si-MOSFETs oder IGBTs, was jedoch zu Lasten von Effizienz und Leistung geht. Im Gegensatz dazu kann der Einsatz von teureren SiC-MOSFETs in Hochleistungsanwendungen in der Industrie oder im Automobilbereich gerechtfertigt sein, um Effizienz, Zuverlässigkeit und Leistungsdichte zu erreichen.

Die Reduzierung der Gesamtgröße des Systems stellt eine weitere große Herausforderung im Leistungsstufendesign dar. Da die Leistungsdichte zunehmend wichtiger wird, müssen Entwickler Wege finden, eine stärkere Miniaturisierung zu erreichen und die Gate-Drive-Schaltung nahtlos zu integrieren, ohne Kompromisse bei der Leistung oder Zuverlässigkeit einzugehen. Standard-Gate-Drive-Lösungen basieren häufig auf diskreten Komponenten und separaten Stromversorgungen, die wertvollen Platz auf der Platine beanspruchen und das Design verkomplizieren können. Diese diskreten Gate-Drive-Schaltungen bestehen in der Regel aus einem Gate-Drive-IC, einer isolierten Stromversorgung und passiven Bauteilen wie Widerständen, Kondensatoren und Dioden. Die sorgfältige Auswahl und Platzierung jedes Bauteils auf der Leiterplatte muss unter Berücksichtigung von Faktoren wie Verlustleistung, Wärmemanagement und Signalintegrität erfolgen. Mit der steigenden Anzahl von Transistoren in einer Leistungsstufe nimmt auch die Komplexität und Größe der Gate-Treiberschaltung zu.

Die meisten auf dem Markt erhältlichen isolierten DC/DC-Wandler bieten feste Ausgangsspannungen. Dieser Mangel an Flexibilität erschwert es, die unterschiedlichen Gate-Spannungsanforderungen verschiedener Transistortechnologien, einschließlich IGBTs, Si- und SiC-MOSFETs, zu erfüllen. Infolgedessen müssen Entwickler möglicherweise mehrere isolierte DC/DC-Wandler verwenden oder zusätzliche Schaltungen integrieren, um die benötigten Gate-Treiberspannungen zu erreichen. Dies erhöht die Komplexität, Größe und Kosten des Systems.

Um dieses Problem zu lösen, wenden sich Entwickler zunehmend 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 Flexibilität, die Ausgangsspannungen an die Anforderungen der jeweiligen Transistortechnologie anzupassen. Durch die Bereitstellung programmierbarer Ausgangsspannungen für jeden Transistor können Entwickler die Ein- und Ausschaltcharakteristika ihrer Leistungsstufen optimieren, das Design vereinfachen und die Systemgröße verringern.

Programmierbare isolierte DC/DC-Wandler ermöglichen es außerdem, die positiven (Vpos) und negativen (Vneg) Gate-Spannungen für einzelne Transistoren unabhängig voneinander zu steuern. Diese Flexibilität erlaubt es Entwicklern, die Gate-Ansteuerspannungen fein abzustimmen, sodass eine vollständige Anhebung und schnelle Entladung des Transistors bei gleichzeitiger Minimierung der Schaltverluste und Verbesserung des Wirkungsgrads gewährleistet werden. Durch die Auswahl bestimmter Vpos- und Vneg-Werte können die Gate-Spannungen innerhalb der sicheren Grenzen des Transistors gehalten und gleichzeitig die Leistung maximiert werden. In einer IGBT-basierten Leistungsstufe kann beispielsweise ein programmierbarer isolierter DC/DC-Wandler so konfiguriert werden, dass er eine Vpos von +15V und eine Vneg von -8V liefert, was eine vollständige Verstärkung beim Einschalten und eine schnelle Entladung der Gate-Kapazität beim Ausschalten sicherstellt. Ebenso kann der Wandler in einem SiC-MOSFET-Design auf eine Vpos von +20V und eine Vneg von -5V eingestellt werden, wodurch die Gate-Treiberspannungen für die spezifischen Anforderungen des SiC-Bauelements optimiert werden.


Ein weiterer Vorteil von isolierten DC/DC-Wandlern ist die stabile, gut geregelte Gate-Spannungsversorgung, die unabhängig von der Hauptstromversorgung arbeitet. In typischen Gate-Drive-Schaltungen wird die Gate-Spannung von der Primärversorgung über einen Linearregler oder eine Bootstrap-Schaltung erzeugt. Linearregler sind zwar einfach zu implementieren, haben jedoch einen niedrigen Wirkungsgrad und hohe Verlustleistungen, wenn der Unterschied zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung groß ist. Diese überschüssige Verlustleistung kann zu thermischen Problemen führen und gegebenenfalls zusätzliche Kühlkörper oder Kühllösungen erforderlich machen.

Im Gegensatz dazu nutzen Bootstrap-Schaltungen einen Ladungspumpenmechanismus, um die Gate-Spannung des High-Side-Transistors in einer Halbbrücken-Konfiguration bereitzustellen. Der Bootstrap-Kondensator muss jedoch sorgfältig dimensioniert werden, um sicherzustellen, dass ausreichend Ladung vorhanden ist, um das Gate des Transistors während der gesamten Einschaltdauer zu steuern. Das Tastverhältnis und die Schaltfrequenz können die Leistung der Schaltung beeinflussen und zu Spannungsabfällen sowie Instabilität führen.