Bei Leistungsanwendungen bieten Galliumnitrid-Geräte (GaN) erhebliche Leistungs- und Effizienzvorteile gegenüber herkömmlichen Silizium-MOSFET-Geräten. Galliumnitrid-Geräte können die Anforderungen verschiedener Branchen erfüllen, mit höherer Dichte, schnellerer Schaltgeschwindigkeit und höherer Energieeffizienz. Bei einigen Anwendungen stehen sie jedoch vor erheblichen Designherausforderungen.
Von kompakten USB-C-Ladegeräten und Ladegeräten für E-Autos bis hin zu Solar- und Rechenzentrumsanwendungen – Designer sind bestrebt, die GaN-Halbleitertechnologie zu nutzen, um kleinere, leichtere und besser kühlende Produkte zu entwickeln.
Angesichts der schnellen Schaltgeschwindigkeit von GaN-Bauelementen stehen Entwickler vor zahlreichen Herausforderungen, darunter parasitäre Induktivität, präzisere Anforderungen an die Gate-Steuerung, Gate-Leckstrom und Spannungsabfall in der Rückleitung.
Ein dedizierter GaN-Controller ist eine ideale Wahl für die Entwicklung bestimmter GaN-basierter Anwendungen. Analog Devices, Inc. bietet beispielsweise eine Reihe von GaN-Leistungscontrollern an. Entwickler können einfache dedizierte GaN-FET-Treiber verwenden, beispielsweise den 100-V-Halbbrücken-GaN-Treiber LT8418 mit integriertem intelligenten Bootstrap-Schalter (Abbildung 1).
Abbildung 1: ADIs dedizierter Halbbrücken-GaN-Treiber LT8418. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)
Dieses Gerät verwendet einen separaten Gate-Treiber, um die Anstiegsgeschwindigkeit des GaN-FET während der Ein- und Ausschaltperioden präzise zu steuern, wodurch Überschwingungen unterdrückt und die EMI-Leistung verbessert werden. Das Gerät nutzt außerdem das Wafer-Level-Chip-Level-Packaging (WLCSP), um parasitäre Induktivitäten zu minimieren.
Darüber hinaus können komplexere Controller ausgewählt werden, beispielsweise die leistungsstarken Dual-Buck-DC/DC-Schaltregler-Controller LTC7890 und LTC7891 (Abbildung 2) für GaN-FET.
Abbildung 2: Hochleistungs-DC/DC-Schaltregler-Controller LTC7891 von ADI, geeignet für GaN-FET. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)
Im Gegensatz zu Silizium-MOSFET-Lösungen benötigen LTC7890/LTC7891-Geräte keine Schutzdioden oder andere externe Komponenten. Die Gate-Treiberspannung dieser Geräte kann präzise zwischen 4 V und 5,5 V eingestellt werden, um die Leistung zu optimieren und die Verwendung anderer GaN-FETs oder Logikpegel-MOSFETs zu unterstützen.
Wenn der Silizium-Controller die einzige Option ist
Derzeit gibt es keinen dedizierten GaN-Controller für Schlüsselkomponenten wie 4-Schalter-Buck-Boost-Controller. Bei sorgfältiger Bedienung können Ingenieure möglicherweise Controller verwenden, die ursprünglich für MOSFETs entwickelt wurden, um GaN-FETs anzusteuern und so Leistung und Effizienz zu verbessern. Wenn Controller für Siliziumgeräte direkt in GaN-Anwendungen eingesetzt werden, ist bei der Auswahl der Komponenten und dem Design von Leiterplatten besondere Vorsicht geboten, und möglicherweise sind auch andere Schaltkreise erforderlich.
Bei Hochleistungswandlern liegt die Ausgangsspannung herkömmlicher Gate-Treiber normalerweise über 5 V, typischerweise zwischen 7 V und 10 V und manchmal sogar noch höher. Bei der Ansteuerung von GaN-FETs mit dieser Spannung kann es zu Problemen kommen, da die maximale Gate-Nennspannung von GaN-FETs normalerweise nur 6 V beträgt. Selbst wenn dieser Grenzwert aufgrund von Spannungsspitzen oder Überschwingungen aufgrund von Streuinduktivität auf der Leiterplatte kurzzeitig überschritten wird, kann dies zu einer dauerhaften Beschädigung des GaN-Geräts führen.
Um diese Probleme zu vermeiden, müssen Designer den Controller richtig auswählen und das PCB-Layout genau überwachen, insbesondere im Bereich der Gate- und Source-Rückführungspfade, um die Induktivität so niedrig wie möglich zu halten und unnötige Spannungsüberschwinger zu reduzieren.
Viele MOSFET-Treiber verwenden nicht regulierte Silizium-Gate-Treiber, ihre Spannung kann jedoch über die absolute Maximalspannung des GaN-FET hinausdriften. Beim Entwurf sollten die Verwaltung der Gate-Treiberspannung, die Regelung der Bootstrap-Stromversorgung und die Optimierung der Totzeit berücksichtigt werden.
Das Buck-Boost-Gerät mit 4 Schaltern muss einen 5-V-Gate-Controller verwenden, um unerwartete Überspannungen im GaN-FET zu verhindern. Es ist auch wichtig, Schutzkomponenten wie Klemmschaltungen oder Gate-Spannungsbegrenzer einzuführen, um das Gate vor unbeabsichtigter Überspannung zu schützen.
Durch die Verwendung einer 5,1-V-Zenerdiode parallel zu einem Bootstrap-Kondensator kann der LT8390A von ADI als 5-V-Gate-Controller verwendet werden (Abbildung 3). Dadurch wird die Gate-Spannung auf den empfohlenen Treiberpegel begrenzt, sodass sich das Gerät immer im sicheren Betriebsbereich befindet. Um mehr Schutz zu bieten, kann ein 10-Ω-Widerstand in Reihe mit einer Bootstrap-Schaltung geschaltet werden, um etwaige Überschwingerscheinungen zu reduzieren, die durch sehr schnelle Hochleistungsschaltknoten verursacht werden können.