GaN Technologie ist ein wahrer Wegbereiter für Leistungsstufen und bietet heute eine Leistung, die im letzten Jahrzehnt undenkbar war. Die maximale Leistung und die Vorteile von GaN werden nur erzielt, wenn der Gate-Treiber dem gleichen Grad an Leistung und Innovation wie die Transistoren entspricht. Nach vielen Jahren der Forschung und Entwicklung hat MinDCet die Fallstricke beim GaN-Gate-Fahren durch die Einführung des MDC901-Gate-Treibers überwunden.
Einleitung
Seit der Einführung der ersten Galliumnitrid (GaN) -Transistoren vor über zehn Jahren sind ihre Vorteile in der Leistungselektronik bekannt geworden. In der Tat bieten die Materialeigenschaften von GaN geringere parasitäre Kapazitäten für einen gegebenen Einschaltwiderstand, inhärente schnell schaltende Transienten, mangelnde Rückgewinnung und Hochtemperaturbetriebsfähigkeit. Diese hervorragenden Eigenschaften scheinen die perfekte Kombination für leistungsstarke Stromrichter zu sein.
Es müssen jedoch zwei wichtige Aspekte berücksichtigt werden, um das Leistungspotential von GaN zu erreichen. Erstens ist es eine verbreitete Auffassung, dass die schnelle transiente Schaltfähigkeit von GaN direkt zu signifikant höheren Schaltfrequenzen und folglich zu höheren Wirkungsgraden führt. Wenn GaN mit der optimalen Geschwindigkeit geschaltet wird, zeigt es tatsächlich geringere Schaltverluste im Vergleich zu MOSFET Technologie, für eine gegebene Frequenz. Der Hauptgrund für die vergleichsweise geringeren GaN-Schaltverluste ist die kürzere Zeit während des Schaltübergangs, also der Zeit, in der Spannung und Strom sind gleichzeitig über und durch den Schalter vorhanden. Die durch diesen Schaltverlust verursachten Joule-Verluste nehmen linear mit der Frequenz zu. Wenn GaN bei immer höheren Schaltfrequenzen betrieben wird, kann der resultierende GaN-Wirkungsgrad schließlich gleich oder möglicherweise niedriger als a werden MOSFET-basierter Konverter. Obwohl die Effizienzvorteile von GaN bei höheren Schaltfrequenzen abnehmen, profitieren die GaN-basierten Wandler zusätzlich von der Verwendung kleinerer Speicherpassive, was einer höheren Leistungsdichte entspricht.
Abbildung 1: Der gemessene Wirkungsgrad als Funktion des Ausgangsstroms für einen Abwärtswandler auf Basis von 48 V bis 3.3 V GaN bei verschiedenen Schaltfrequenzen.
Dieser Effekt wird mit einem Abwärtswandler von 48 V auf 3.3 V demonstriert, der um den MinDCet MDC901-Gate-Treiber, eine GaN Systems GS61008P-Halbbrücke und eine WE-HCF 1.4uH / 31.5A-Leistung herum aufgebaut ist Induktor, wie in Abbildung 5 dargestellt. Der niedrige Arbeitszyklus des Wandlers profitiert von den schnellen Schaltgeschwindigkeiten, was zu einer Effizienzsteigerung von 10 bis 15 Prozent gegenüber einem Äquivalent führt MOSFET-basierter Wandler mit gleicher Schaltfrequenz. Die Messung des Abwärtswandlers in Abbildung 1 zeigt beispielhaft, dass trotz der Fähigkeiten von GaN die Umwandlungseffizienz mit zunehmender Schaltfrequenz abnimmt. Bereits bei moderaten Schaltfrequenzen von 300 kHz ist über die gemessenen Frequenzen von 1 bis 100 kHz ein deutlicher Wirkungsgradabfall von knapp 300 Prozent pro zusätzlichen 700 kHz Schaltfrequenz zu beobachten.
Bei einem 48-V-12-V-Abwärtswandler ändert sich dieser Kompromiss. Bei Betrachtung von Abbildung 2 profitiert der Wirkungsgrad des GaN-Wandlers von einer höheren Schaltfrequenz bei niedrigen bis mäßigen Lasten (bis zu etwa 10 A) im Bereich von 300 bis 700 kHz. Zu beachten ist, dass der ausgewählte Induktor einen Einfluss auf den Wirkungsgrad des Wandlers hat. Es muss darauf geachtet werden, die richtigen Kompromisse beim GaN-basierten Konverterdesign einzugehen.
Abbildung 2: Der gemessene Wirkungsgrad als Funktion des Ausgangsstroms für einen Abwärtswandler auf Basis von 48 V bis 12 V GaN bei verschiedenen Schaltfrequenzen.
Zweitens ist es notwendig, bei hohen Übergangsgeschwindigkeiten zu schalten, um die wahren intrinsischen Vorteile von GaN zu ermöglichen. Werte von 10 V / ns bis 100 V / ns und darüber hinaus sind möglich. Die Hauptkomponente, die für die Übergangsgeschwindigkeit verantwortlich ist, ist der Gate-Treiber. Natürlich muss ein ordnungsgemäßes Schaltungsdesign, insbesondere Leistungsrouting, Gate-Loop-Routing und Entkopplung, implementiert werden, damit der Gate-Treiber und GaN ihre Arbeit optimal ausführen können. Im Allgemeinen kann ein Standard-MOSFET-Gate-Treiber in Einzelfällen GaN ansteuern, aber eine optimale Leistung wird nicht erreicht. Infolgedessen gehen die Vorteile der Verwendung von GaN teilweise verloren. Ein Gate-Treiber, der GaN mit hohen Übergangsgeschwindigkeiten schaltet, muss bestimmte Anforderungen erfüllen und gleichzeitig erheblichen Belastungen ausgesetzt sein. Diese strengen Anforderungen können nur von einem Gate-Treiber erfüllt werden, der sorgfältig für die Arbeit mit GaN entwickelt wurde.
Fallstricke beim GaN-Gate-Fahren
GaN-Transistoren in Leistungsanwendungen haben ein großes Potenzial: höhere Leistungseffizienz, höhere Leistungsdichte, potenzielles Design ohne Kühlkörper / Lüfter,
Hohe Anstiegsraten
Das Ansteuern von GaN-Transistoren ist sehr vieldeutig. Diese Geräte werden aufgrund ihrer inhärent hohen Spannungsanstiegsraten (über 100 V / ns) ausgewählt, was zu sehr geringen Schaltverlusten führt (Verluste, die entstehen, wenn Vds und Ids nicht Null sind). Durch die schnelle Umschaltung zwischen Low- und Highside-Transistoren wechselt der Laststrom sehr schnell zwischen Last und Eingangsspannung (z. B. Abwärtswandleranwendungen). Dies stellt die Busspannungsentkopplung wie z pcb Spuren zur Halbbrücke verursachen ein Überschwingen, das stark durch die Busschleifeninduktivität definiert ist. Zusätzlich injizieren die hohen Anstiegsraten große Spitzenströme in den Gate-Ansteuerpfad durch die Drain-Source-Kapazität des Off-State-Transistors.
Parasitäres Einschalten
In einer Halbbrückenkonfiguration kann ein parasitäres Einschalten des ausgeschalteten Transistors auftreten, wenn seine Drain-Source-Spannung plötzlich auf die Busspannung ansteigt, entweder aktiv durch den gegenüberliegenden Transistor oder induktiv durch den Laststrom. Dieser Strom wird sowohl durch die Pulldown-Impedanz des Gate-Treibers als auch durch die Induktivität der Gate-Source-Schleife in eine Gate-Spannung ungleich Null umgewandelt. Wenn diese Spannung höher als die Schwellenspannung ist, tritt ein Querstrom zwischen den High-Side- und Low-Side-Schaltern der Halbbrücke auf. Eine niedrige Gate-Schleifeninduktivität ist nur bei der monolithischen Co-Integration von Leistungsstufe und Gate-Treiber möglich, bei der ein separater Pull-Down- und Pull-Up-Pfad für jeden GaN-Transistor sehr wünschenswert ist. Totzeit Die Totzeit in einer Halbbrücke ist die Zeit zwischen dem Ausschaltereignis eines Transistors und dem Einschaltereignis des komplementären Brückentransistors. Eine granulare Kontrolle der Totzeit ist unerlässlich. Eine zu kurze Totzeit führt zu übermäßigen Verlusten, da die GaN-Drain-Source-Kapazität durch das komplementäre GaN entladen wird. Eine Nullspannungsumschaltung erfolgt zu größeren Totzeiten, wodurch die Drain-Source-Kapazität von der Induktivität (in einem Tiefsetzsteller) entladen werden kann. Folglich wird diese Energie nicht abgeführt. Zu lange Totzeiten führen zu größeren Verlusten, da die Rückleitung eines GaN mit null Vgs im Vergleich zu einer Diode einem größeren Spannungsabfall (von einigen Volt) unterliegt. Feste Totzeiten führen zu einer suboptimalen Effizienz und müssen für einen minimalen Verlust, der stark anwendungsabhängig ist, auf die richtige Totzeit abgestimmt werden.
Überladung des Tors
Bei nicht isolierten Gate-Drive-Anwendungen wird der Gate-Treiber oft durch Bootstrapping der Niederspannungsversorgung versorgt. Durch diese Technik wird die Stromversorgung des High-Side-Gate-Treibers entkoppelt Kondensator durch eine schnelle Hochspannungsdiode. Dadurch wird eine schwebende Spannung erzeugt, die zur Versorgung aller schwebenden Schaltkreise verwendet wird, die zum Antrieb des High-Side-Vortreibers verwendet werden. Wie bereits erläutert, führt die Totzeit ungleich Null dazu, dass die Drain-Source-Spannung des Low-Side-GaN-Transistors – abhängig von der Stromstärkerichtung der Last – unter Null fällt. Dadurch wird der Bootstrap-Kondensator effektiv über die Eingangsversorgung hinaus aufgeladen. Es ist bekannt, dass ein GaN-Gate bekanntermaßen empfindlich auf Gate-Überspannungen reagiert. Daher muss das Gate vor Überladung geschützt werden, um die Zuverlässigkeit des Wandlers zu gewährleisten. In der Praxis wird dies durch den Einsatz von Klemmstrukturen reduziert, allerdings auf Kosten eines erhöhten Gate-Treiber-Stromverbrauchs und einer höheren Leiterplattenfläche, wobei die Wirksamkeit durch Leiterplattenparasiten eingeschränkt wird.
Betrieb mit negativer Ausgangsspannung
Der negative Anstieg der Ausgangstreiberspannung hängt von der Induktivität der parasitären Quelle und den Lastbedingungen des Stromrichters ab, die schlecht vorhergesagt werden können. Für einen vorhersehbaren Betrieb ist eine Garantie erforderlich, dass die Wandlerbrücke immer gesteuert werden kann, auch wenn die Spannung im Vergleich zur Versorgungsmasse negativ ist. Bei einem DC-gekoppelten Pegelumsetzer müssen besondere Vorkehrungen getroffen werden, um den Betrieb unter der Versorgungserde zu ermöglichen.
Hochleistungszyklusbetrieb
Der Bootstrap-Betrieb eines Gate-Treibers ist ein einfaches und effektives Mittel zum Bereitstellen einer Ladung zum Steuern des High-Side-Transistors, beispielsweise in einer Halbbrücke. Es ist unvermeidlich, dass im Vortreibersystem temperaturabhängige Leckagen und Vorspannungen für die Unterstützung von Schaltkreisen erforderlich sind, wodurch die Bootstrap-Spannung abfließt. Wenn die Bootstrap-Spannung unter eine bestimmte minimale Spannung abfällt (häufig überwacht durch eine integrierte Unterspannungserkennungsschaltung), kann die Vortreiberschaltung fehlerhaft und im schlimmsten Fall schädlich für den Wandler wirken. Für eine bestimmte Bootstrap-Kapazitäts- und Leistungswandleranwendung wird ein Maximum für das Tastverhältnis festgelegt, das beibehalten werden kann, oder die Modulationstiefe begrenzt, die verwendet werden kann.
Die MinDCet-Antwort: Die MDC901-High-End-Anwendungen mit hoher Leistungsdichte und schnellem Schalten erfordern eine GaN-Leistungsstufe, bei der ein bestimmter Treiber erforderlich ist, um zuverlässiges Fahren zu gewährleisten und die wertvolle GaN-Stufe zu schützen.
Um die zuvor beschriebenen Fallstricke zu beseitigen und die GaN-Leistungsanforderungen zu erfüllen, führte MinDCet den GaN-Gate-Treiber MDC901 ein. Das in Abbildung 4 dargestellte Blockdiagramm bietet einen Überblick über die wichtigsten Funktionen und löst die in den vorherigen Abschnitten beschriebenen Hauptprobleme.
Separate Pull-Up- und Pull-Down-Pfade ermöglichen die Abstimmung der Einschaltgeschwindigkeit und folglich der Anstiegsgeschwindigkeit der Ausgangsstufe, während ein Pulldown-Pfad mit niedriger Impedanz für den GaN-Transistor beibehalten wird. Dies hält die Gate-Source-Spannung im ausgeschalteten Zustand unter Kontrolle und vermeidet ein parasitäres Einschalten, selbst bei hohen kapazitiven Strömen des Drain-Gates.
Die Totzeit für das Ein- und Ausschalten kann über eine Reihe digitaler Eingänge eingestellt werden. Dies ermöglicht eine statische Abstimmung der Totzeit für eine bestimmte Anwendung oder in Verbindung mit einer Steuerung, die dynamisch durchgeführt werden kann, um eine optimale Effizienz zu erzielen. Zusätzlich kann die Totzeit im automatischen Modus eingestellt werden. Eine geschlossene Schleife erfasst die GaN-Gatespannungen und das Gate wird nur eingeschaltet, wenn das komplementäre GaN-Gate ausgeschaltet ist. Dies ist ein ausfallsicherer Betriebsmodus.
Das Risiko einer Gate-Überladung während des Betriebs mit negativer Spannung wird gelöst, indem vollständig schwebende Regler sowohl im High-Side- als auch im Low-Side-Bereich nach der Bootstrap-Diode platziert werden. Dies führt zu einer gut definierten und robust geschützten Gate-Treiberspannung.
Abbildung 4: Das Blockdiagramm des GaC-Gate-Treibers MDC901.
Abbildung 5: Die 901-V-Halbbrücken-Evaluierungskarte MDC100.
Der Betrieb der negativen Ausgangsspannung ist bis zu -4 V garantiert, was eine genaue Gate-Steuerung auch bei hohen induktiven Strömen ermöglicht. Dies wurde durch einen speziell entwickelten Level-Shifter und eine schwimmende Stromerzeugung berücksichtigt.
Für Anwendungen mit hohem Arbeitszyklus (z. B. Motortreiber und Klasse-D-Verstärker) ist es obligatorisch, einen High-Side-Einschaltzustand für längere Zeiträume aufrechtzuerhalten. Diese Funktionalität wurde durch eine integrierte Ladungspumpe implementiert, die die Gleichstromvorspannung unter 100% Tastverhältnisbedingungen kompensiert.
Der MDC901 bietet eine High-End- und funktionsreiche Lösung für die zuverlässige Ansteuerung von GaN-Transistoren, um die Leistung in der jeweiligen Anwendung zu maximieren. Der Treiber wurde für DC-DC-Lösungen entwickelt, kann jedoch für alle anderen GaN-Antriebsanwendungen wie LIDAR, Motortreiber und verwendet werden elektronisch Sicherungsanwendungen, die eine echte 200-V-Fähigkeit erfordern. Um ein einfaches und schnelles Design des MDC901-Gate-Treibers in einer Vielzahl von Anwendungen zu ermöglichen, wurde eine 100-V-Halbbrücken-Evaluierungskarte in einer Buck-Converter-Topologie (siehe Abbildung 5) entwickelt, um Entwickler von Leistungselektronik zu unterstützen.
Schlussfolgerungen
Um die wahren Vorteile von GaN-Leistungsstufen nutzen zu können, muss ein optimierter Gate-Treiber implementiert werden, der speziell für die Arbeit mit GaN-Transistoren entwickelt wurde. Infolgedessen kann der GaN an seine Grenzen gebracht werden, wodurch die höchstmögliche Leistung erzielt wird, was eine maximale Rendite für die technologischen und monetären Investitionen ermöglicht. Ein diskreter Gate-Treiber wie der MDC901 bietet dem Benutzer Flexibilität, Diagnose und einen erweiterten Funktionsumfang für die Auswahl der am besten geeigneten GaN-Transistoren für die jeweilige Anwendung.