Ansteuerung von GaN-FETs mit für Silizium-MOSFETs konzipierten Controllern

Galliumnitrid-Bauelemente (GaN) bieten gegenüber herkömmlichen Silizium-MOSFET-Bauelementen in Leistungsanwendungen erhebliche Leistungs- und Effizienzvorteile. Sie bieten die höhere Dichte, das schnellere Schalten und die höhere Energieeffizienz, die in einer Vielzahl von Branchen benötigt werden. Bei einigen Anwendungen gibt es jedoch erhebliche Probleme mit der Implementierung.

Von kompakten USB-C-Ladegeräten und On-Board-Ladegeräten für Elektrofahrzeuge bis hin zu Solarenergie- und Rechenzentrumsanwendungen sind die Entwickler bestrebt, die Vorteile der GaN-Halbleitertechnologie zu nutzen, um kleinere, leichtere und kühlere Produkte herzustellen.

Aufgrund der hohen Schaltgeschwindigkeiten von GaN-Bauelementen sehen sich die Entwickler mit zahlreichen Herausforderungen konfrontiert, darunter parasitäre Induktivität, die Notwendigkeit einer präziseren Gate-Ansteuerung, Gate-Leckstrom und Spannungsabfälle in Sperrrichtung.

Speziell angefertigte GaN-Controller sind eine ideale Wahl für die Entwicklung bestimmter GaN-basierter Anwendungen. Analog Devices, Inc. bietet beispielsweise eine Reihe von GaN-Leistungscontrollern an. Entwickler können die Vorteile einfacher, dedizierter GaN-FET-Treiber nutzen, wie z. B. den 100V-Halbbrücken-GaN-Treiber LT8418 mit einem intelligenten integrierten Bootstrap-Schalter (Abbildung 1).

Abbildung 1: ADIs speziell entwickelter GaN-Halbbrückentreiber LT8418. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Dieser Baustein enthält Split-Gate-Treiber zur präzisen Steuerung der Anstiegsgeschwindigkeiten von GaN-FETs beim Ein- und Ausschalten, wodurch das Klingeln unterdrückt und die EMI-Performance verbessert wird. Außerdem wird ein WLCSP-Gehäuse (Wafer Level Chip Scale Packaging) verwendet, um die parasitäre Induktivität zu minimieren.

Darüber hinaus sind auch komplexere Controller erhältlich, wie z.B. die Hochleistungs-DC/DC-Schaltregler LTC7890 und LTC7891 (Abbildung 2) für GaN-FETs mit zwei Abwärtswandlerstufen.

Abbildung 2: ADIs Hochleistungs-DC/DC-Schaltregler LTC7891 für GaN-FETs. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Im Gegensatz zu Silizium-MOSFET-Lösungen benötigen die LTC7890/LTC7891-Bausteine keine Schutzdioden oder zusätzliche externe Bauteile. Die Gate-Ansteuerspannung des LTC7893 lässt sich zur Optimierung der Performance und für den Einsatz verschiedener GaN-FETs oder sogar Logikpegel-MOSFETs präzise von 4 V bis 5,5 V einstellen.

Wenn ein Silizium-Controller die einzige Option ist

Für einige kritische Komponenten, wie z. B. 4-Schalter-Abwärtsregler, gibt es keine speziell angefertigten GaN-Steuerungen. Entwickler können möglicherweise vorhandene, für MOSFETs konzipierte Steuerungen anpassen, um GaN-FETs anzusteuern und so die Leistung und den Wirkungsgrad zu erhöhen, vorausgesetzt, sie gehen dabei mit Bedacht vor. Die Verwendung von Silizium-Controllern für GaN-Anwendungen erfordert eine sorgfältige Auswahl der Komponenten und des Designs auf Leiterplattenebene und kann zusätzliche Schaltungen erfordern.

In Hochleistungskonvertern geben herkömmliche Gate-Treiber oft Spannungen über 5 V aus - in der Regel zwischen 7 V und 10 V, manchmal sogar noch höher. Dies stellt ein Problem bei der Ansteuerung von GaN-FETs dar, die in der Regel eine maximale Gate-Spannung von nur 6 V haben. Eine auch nur kurzzeitige Überschreitung dieser Grenze durch Spannungsspitzen oder Klingeln aufgrund von Streuinduktivität auf der Leiterplatte kann GaN-Bauteile dauerhaft beschädigen.

Entwickler können diese Probleme vermeiden, indem sie den richtigen Controller auswählen und dem Leiterplattenlayout große Aufmerksamkeit schenken, insbesondere im Bereich der Gate- und Source-Rückleitungen, um die Induktivität so gering wie möglich zu halten und unerwünschte Spannungsüberschwinger zu reduzieren.

Viele MOSFET-Treiber verwenden ungeregelte Silizium-Gate-Treiber, die über die absolute Höchstspannung von GaN-FETs hinausgehen können. Zu den Designüberlegungen gehören das Management der Gate-Treiberspannung, die Regulierung der Bootstrap-Versorgung und die Optimierung der Totzeit.

Eine 4-Schalter-Buck-Boost-Komponente muss einen 5V-Gate-Controller verwenden, um eine versehentliche Überspannung der GaN-FETs zu verhindern. Außerdem ist es wichtig, Schutzkomponenten wie Klemmschaltungen oder Gate-Spannungsbegrenzer einzubauen, um das Gate vor unbeabsichtigten Überspannungen zu schützen.

Der LT8390A von ADI kann als 5V-Gate-Regler eingesetzt werden, indem 5,1V-Zener-Dioden parallel zu Bootstrap-Kondensatoren geschaltet werden (Abbildung 3). Dadurch wird die Gate-Spannung auf den empfohlenen Ansteuerungspegel geklemmt, so dass sie innerhalb eines sicheren Betriebsbereichs bleibt. Zum zusätzlichen Schutz können 10Ω-Widerstände in Reihe mit den Bootstraps geschaltet werden, um ein eventuelles Klingeln, das durch die sehr schnellen und leistungsstarken Schaltknoten verursacht werden könnte, zu reduzieren.

Abbildung 3: Dieses vereinfachte Schaltbild zeigt den 4-Schalter-Abwärts/Aufwärtsregler LT8390A, der 5,1V-Zenerdioden (D5 und D6) und 10Ω-Widerstände zum Spannungsschutz bei der Ansteuerung von GaN-FETs verwendet. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Fazit

Silizium-MOSFET-Controller, wie z.B. der Buck-Boost-Controller LT8390A von ADI, können so angepasst werden, dass sie GaN-FETs sicher und effektiv ansteuern, so dass Entwickler auch dann GaN-Anwendungen entwickeln können, wenn keine speziellen DC/DC-GaN-Controller verfügbar sind.

Weitere Informationen finden Sie im Webinar Entwickeln mit GaN: Überwindung von Herausforderungen bei der Stromversorgung.