Während die Industrienationen der Welt immer stärker auf saubere Energien umsteigen und sich von fossilen Brennstoffen abwenden, verändert sich der Technologiemarkt, um den sich wandelnden Kundenanforderungen gerecht zu werden. Ein Aspekt dieser Entwicklung ist die Erforschung und Nutzung neuer Materialien für mikroelektronische Komponenten. Dieser Artikel untersucht die GaN- und SiC-Technologien und erläutert, wie sie isolierte Gate-Treiber-ICs revolutionieren.
Zusammenfassung
Da GaN- und SiC-FETs zunehmend MOSFET- und IGBT-Technologien in Leistungsschaltanwendungen ersetzen, besprechen wir die wichtigsten Spezifikationen für die Auswahl eines isolierten Gate-Treibers. Wir erläutern die Bedeutung von CMTI und Laufzeitverzögerungsunterschieden und stellen einen isolierten Gate-Treiber-IC vor, der sich ideal für die Verwendung mit diesen neuen Leistungstransistoren eignet.
Einführung
„Ein Bonmot lautet, dass die Steinzeit nicht zu Ende ging, weil uns die Steine ausgingen, sondern, weil wir zu besseren Lösungen übergegangen sind. Dieselbe Chance bietet sich uns im Bereich Energieeffizienz und saubere Energie.“ Heute, da die Welt ihren Abschied von fossilen Brennstoffen beschleunigt, lange bevor deren Vorräte voraussichtlich erschöpft sein werden, sind die Worte des Nobelpreisträgers Steven Chu bedeutungsvoller denn je. Neue Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) werden die Vorreiter dieser Revolution auf dem Gebiet der Energieeffizienz sein. Im Vergleich zu herkömmlichen MOSFET- und IGBT-Technologien ermöglichen diese neuen Materialien kleinere und leichtere Komponenten und senken so die Kosten und den Energieverbrauch in Anwendungen von der Automobilindustrie bis hin zu Solarzellen-Wechselrichtern (Abbildung 1).
Abbildung 1. Wechselrichterboxen mit Anschluss an Photovoltaikmodule
Neue Leistungsschalter, die diese Materialien verwenden, stellen andere Anforderungen an die Komponenten, die sie steuern, insbesondere an den Gate-Treiber. In dieser Designlösung betrachten wir die Anwendungsbereiche für GaN und SiC im Vergleich zu MOSFET- und IGBT-Schaltern und besprechen die Auswirkungen auf die jeweiligen Gate-Treiber. Wir erläutern die wichtigsten Spezifikationen für die Auswahl eines isolierten Gate-Treibers und stellen dann eine IC-Familie vor, deren Leistungsniveaus sie für diese neuen Technologien viel besser geeignet machen als alternative Angebote.
Infragestellung des Status Quo
Bis vor kurzem war die Auswahl der geeigneten Schaltertechnologie für Stromversorgungssysteme relativ einfach. MOSFETs wurden üblicherweise für Spannungen bis zu 600 V verwendet und IGBT war zumeist die Technologie der Wahl für höhere Spannungen. Allerdings bietet die laterale Kristallstruktur neuer Leistungsschaltertechnologien auf der Grundlage etwa von Galliumnitrid und Siliziumkarbid im Vergleich zu den etablierten Technologien mehrere deutliche Leistungsvorteile. Der erste Vorteil besteht darin, dass diese Systeme kleiner sind und höhere Schaltfrequenzen ermöglichen. Die Erhöhung der Schaltfrequenzen von einigen Dutzend auf einige Hundert Kilohertz steigert die Effizienz. Zweitens können sie auch bei höheren Stromstärken und Temperaturen sicher betrieben werden. Dies bedeutet, dass sie kleinere Transformatoren und Kühlkörper benötigen und somit leichtere Motoren ermöglichen. Bei Elektrofahrzeugen erhöht diese Verringerung von Größe und Gewicht die Reichweite. Ebenso sind Solarwechselrichter durch die geringere Größe besser für den Einsatz in häuslichen Anwendungen geeignet. Neuere GaN-Geräte können mit bis zu 600 V betrieben werden. Da die Technologie immer günstiger wird, ist sie sehr gut geeignet, um die MOSFET-Technologie langfristig abzulösen. In Anwendungsbereichen mit höheren Spannung wird IGBT durch SiC ersetzt.
Alles hat seinen Preis
Diese Vorteile sind zwar beträchtlich, sie sind jedoch mit einer Einschränkung verbunden. Abbildung 2 zeigt einen Schaltkreis, bei dem ein Niederspannungs-Mikrocontroller (aus Sicherheitsgründen) galvanisch vom Hochspannungsbereich isoliert ist, der die Ausgangsschalter und ihren Gate-Treiber enthält. Höhere Schaltgeschwindigkeiten erhöhen die Anfälligkeit gegenüber schnelleren Schalttransienten. Beispielsweise schalten GaN-Stromversorgungssysteme typischerweise in 5 ns (d. h. eine Größenordnung schneller als herkömmliche MOSFET-Systeme). Bei einer typischen 600-V-Hochspannungsschiene ergibt sich ein Transientwert von (600 V/5 ns) = 120 kV/µs.
Abbildung 2: Typischer isolierter Leistungswandlerschaltkreis
Schnelle Störtransienten können die Datenübertragung über die Isolationsbarriere beeinträchtigen oder, schlimmer noch, einen Störimpuls verursachen, der dazu führen kann, dass beide Leistungs-FETs gleichzeitig eingeschaltet werden, was einen gefährlichen elektrischen Kurzschluss verursacht. Um dies zu verhindern, benötigen schnelle Schalttechnologien eine Gate-Treiber-CMTI (Common-Mode Transient Immunity) von mindestens 120 kV/µs für Designs mit einer typischen 600-V-Hochspannungsschiene. CMTI ist als die maximal tolerierbare Anstiegs- oder Abfallrate der zwischen zwei isolierten Schaltkreisen angelegten Gleichtaktspannung definiert. Die Einheit dafür ist üblicherweise kV/µs. Ein hoher CMTI-Wert bedeutet, dass ein Signalpegel auf beiden Seiten der Isolationsbarriere erhalten bleibt (innerhalb der im Datenblatt angegebenen Grenzen), wenn die Isolationsbarriere von einem Hochspannungs-Gleichtaktsignal getroffen wird. Abbildung 3 zeigt einen vereinfachten CMTI-Testaufbau.
Abbildung 3: Messen des CMTI-Werts
Abgleich der Laufzeitverzögerung
In dem in Abbildung 4 gezeigten Schaltkreis dürfen unter keinen Umständen beide Schalter gleichzeitig eingeschaltet sein, da dies zu einem möglicherweise schädlichen Kurzschlusszustand (normalerweise als Shoot-Through bezeichnet) führen würde. Um dies zu verhindern, muss eine kleine „Totzeit“ vorgesehen werden, in der beide Schalter „aus“ sind, oder es muss eine entsprechende Konstruktion eingebaut werden. Allerdings leiten GaN-Schalter auch bei Sperrspannung weiterhin einen gewissen Strom. Dadurch verringert sich die Effizienz, da in dieser Zeit nicht die gesamte Leistung an die Last übertragen wird. Deshalb ist ein Kompromiss zwischen dem Belassen einer ausreichend sicheren „Totzeit“ und der dadurch verursachten Effizienzminderung erforderlich. Um zu einer optimalen Lösung zu gelangen, muss man die Variabilität der Laufzeitverzögerung zwischen den einzelnen Teilen des Gate-Treibers verstehen, die als Anpassung der Laufzeitverzögerung von Teil zu Teil (oder von Kanal zu Kanal bei Teilen mit mehreren Kanälen) oder als „Skew“ bezeichnet wird. Beim Entwurf von Schaltkreisen dieser Art ist ein Gate-Treiber mit geringstmöglicher Laufzeitverzögerung die beste Wahl, da dadurch die Totzeit minimiert werden kann und gleichzeitig sichergestellt wird, dass es nie zu einem „Shoot-Through“-Zustand kommen kann.
Abbildung 4. Push-Pull-Halbbrückenschaltkreis
2-für-1-Lösung
Abbildung 5 zeigt eine Familie isolierter Gate-Treiber-ICs, die die beiden zuvor besprochenen Herausforderungen bewältigen.
Wie in Abbildung 6 gezeigt, verfügen diese Teile über einen CMTI-Wert von 300 kV/µs (typisch), ein Schutzniveau, das das von ähnlichen Teilen angebotene übertrifft, was sie ideal für Anwendungen mit GaN- und SiC-Schaltern macht.
Abbildung 6. CMTI-Messung von MAX22700
Die Laufzeitabweichung beträgt bei Raumtemperatur nur 2 ns (maximal) und im Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +125 °C nur 5 ns (maximal). Dies trägt dazu bei, die Totzeit zu minimieren und dadurch die Effizienz zu steigern. Zu den weiteren Vorteilen gehört eine präzise Unterspannungssperre (UVLO), die gewährleistet, dass mehrere Teile, die parallel Schalter antreiben, mit der gleichen Startspannung arbeiten. Dies ist wichtig beim Einstellen des VGS für SiC-Transistoren. Es gibt mehrere Varianten mit Ausgabeoptionen für den gemeinsamen Pin des Gate-Treibers: GNDB (MAX22700), Miller-Klemme (MAX22701) und einstellbare UVLO (MAX22702). Darüber hinaus sind Versionen mit differenziellem (D-Versionen) oder Eingang mit einem Ende (E-Versionen) verfügbar. Die Isolationsbarriere hat eine Nennstehspannung von 3 kVRMS für 60 Sek. und gewährleistet damit eine robuste Leistung. Diese ICs können SiC- oder GaN-FETs mit unterschiedlichen Ausgangs-Gate-Treiberschaltkreisen und B-seitigen Versorgungsspannungen betreiben.
Zusammenfassung
Die zunehmende Konzentration auf Energieeinsparungen in unserem täglichen Leben erfordert die Suche nach neuen Wegen, damit die Dinge funktionieren. SiC und GaN sind Halbleitermaterialien, die bei höheren Geschwindigkeiten und Temperaturen sicher funktionieren und so leichtere und effizientere Designs in verschiedenen Anwendungen ermöglichen. Allerdings stellen diese neuen Materialien neue Anforderungen an die Schaltkreise, die sie antreiben. Wir haben gezeigt, warum CMTI-Wert und Laufzeitverzögerungsunterschied zwei der wichtigsten Spezifikationen sind, die bei der Auswahl eines isolierten Gate-Treibers für Anwendungen mit diesen Schalttechnologien berücksichtigt werden müssen. Wir haben eine Familie isolierter Gate-Treiber-ICs mit sowohl dem höchsten CMTI-Wert als auch dem niedrigsten Laufzeitverzögerungsunterschied vorgestellt, was sie ideal für den Einsatz mit GaN- und SiC-FETs in USV- und Photovoltaik-Wechselrichtern sowie auch in Motorantrieben macht.
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