Aufkommende Trends bei Wide Bandgap Gate Drivers

Sowohl die Siliziumkarbid- (SiC) als auch die Galliumnitrid- (GaN) Technologien werden kontinuierlich weiterentwickelt und bieten höhere Spannungsfestigkeit sowie geringere Schaltverluste. SiC-MOSFETs mit einer Nennspannung bis 2200V sind inzwischen als Einzelgeräte oder in Modulen mit bis zu sechs Bauelementen erhältlich. GaN-Bauteile arbeiten derzeit überwiegend mit 650V, doch für Mitte 2024 werden Module mit 1200V erwartet.

Gate-Treiber-ICs dienen als Schnittstelle zwischen Steuersignalen von digitalen oder analogen Controllern und den Leistungsschaltern (IGBTs, MOSFETs, SiC-MOSFETs oder GaN-HEMTs). Sie liefern die hohen Treiberströme, die zur Überwindung der Gate-Kapazität für schnelle Schaltvorgänge erforderlich sind, und isolieren die Niederspannungssignale von den potenzialführenden Transistoranschlüssen der High-Side. Zunehmend werden isolierte Gate-Treiber auch für Low-Side-Transistoren eingesetzt, um die Auswirkungen von Ungleichgewichten im induktiven Pfad zu minimieren. Gate-Treiber spielen eine zentrale Rolle bei der Optimierung der Leistung und Zuverlässigkeit von WBG-Transistoren und entwickeln sich kontinuierlich weiter, um neuen Anforderungen gerecht zu werden.

Integrierte Gate-Treiberlösungen kombinieren häufig mehrere Treiber mit Schutzfunktionen und Fehlererkennung. Diese Produkte reduzieren die Komplexität des Designs, die Entwicklungszeit und die Stücklistenkosten und bieten eine höhere Zuverlässigkeit im Vergleich zu diskret aufgebauten Lösungen. So sind etwa GaN-Halbbrückentreiber erhältlich, die unabhängige und TTL-kompatible obere und untere Treiberstufen, eine Logiksteuerung sowie Schutzvorrichtungen gegen Kurzschluss, Unterspannung und Überspannung enthalten. Diese Bausteine lassen sich in verschiedenen Topologien einsetzen, darunter synchrone Halbbrücken, Vollbrücken, Buck-, Boost- und Buck-Boost-Konfigurationen.

Eine weitere aktuelle Entwicklung sind ultraschnelle Gate-Treiber. Kürzlich eingeführte Bausteine können bis zu 7A Ausgangsstrom mit Anstiegs- und Abfallzeiten von 0,65ns bzw. 0,70ns bei einer 200pF-Last liefern. Mit einem Gate-Treiber-Spannungsbereich von 4,5V bis 5,5V sind diese Treiber auf GaN-Bauelemente zugeschnitten. Alle diese isolierten Gate-Treiber benötigen eine isolierte Stromversorgung für die Ausgangsstufe. Trotz der hohen Spitzenströme liegt die durchschnittliche Leistungsaufnahme nur bei wenigen Watt, wodurch die DC/DC-Netzteile sehr kompakt aufgebaut werden können. Eine weitere Anforderung ist die Erzeugung asymmetrischer Spannungen. Viele SiC-Transistoren erreichen ihre maximale Leistung bei einer Gate-Treiberspannung von +18V bis -4V. Andere Bauelemente benötigen möglicherweise andere optimale Spannungen wie +20V/-5V, +15V/-3V, +6V/-1V oder +15V/-9V.

Angesichts der Herausforderungen bei der Ansteuerung von WBG-Transistoren ist es naheliegend, dass einige Hersteller SiC- oder GaN-Leistungsbauelemente zusammen mit Gate-Treibern in einem einzigen Gehäuse integrieren. Dieser Ansatz bietet sowohl Vorteile als auch potenzielle Nachteile. Zu den Vorteilen zählen:

• Platzersparnis. Die Kombination von Gate-Treibern und Leistungstransistoren in einem einzigen Gehäuse reduziert den PCB-Footprint, vereinfacht das Layout und senkt die Gesamtkosten.
• Verringerung von Störgrößen. Die Integration von Gate-Treibern und Leistungstransistoren minimiert die Verbindungslänge und reduziert dadurch parasitäre Induktivität und Kapazität. Das verbessert die Schaltleistung und verringert elektromagnetische Störungen (EMI).
• Verbesserte Leistung. Co-Packaging ermöglicht eine optimierte Gate-Treiberschaltung, die gezielt auf die Eigenschaften des jeweiligen Leistungstransistors abgestimmt ist. Das führt zu effizientem Schalten und geringeren Schaltverlusten.
• Verbesserte thermische Leistung. Die Wärmeableitung ist effizienter, wenn Gate-Treiber und Leistungstransistoren denselben Wärmepfad nutzen. Das verbessert das Wärmemanagement und erhöht die Systemzuverlässigkeit.

Natürlich gibt es auch mögliche Nachteile.

• Begrenzte Flexibilität. Integrierte Gehäuse bieten möglicherweise nicht die Flexibilität, verschiedene Gate-Treiber oder Leistungstransistoren unabhängig voneinander auszuwählen.
• Isolationsanforderungen. Gate-Treiber und Leistungstransistoren müssen elektrisch isoliert sein, um Übersprechen zu vermeiden und die Betriebssicherheit zu gewährleisten. Co-Packaging-Lösungen müssen diese Anforderungen zuverlässig erfüllen.
• Komplexität von Tests und Fehlersuche. Die Kombination beider Komponenten erschwert die Fehlersuche. Das Erkennen und Lokalisieren von Fehlern erfordert spezialisierte Werkzeuge und Fachwissen.

Obwohl die Vorteile des Co-Packaging die Nachteile bei Hochgeschwindigkeitsschaltungen mit steilen Ein- und Ausschaltflanken ausgleichen können, besteht weiterhin Bedarf an externen isolierten Stromversorgungen. Diese DC/DC-Wandler müssen hohe dv/dt-Schaltübergänge zuverlässig bewältigen und daher eine geringe Isolationskapazität sowie eine hohe CMTI-Immunität bieten.

RECOM bietet mehrere Serien isolierten DC/DC-Wandlern an, die sich ideal für die Versorgung von SiC- und GaN-Gate-Treibern eignen.

SiC MOSFETs. Die Serien RxxP22005 und RKZ-xx2005 verfügen über asymmetrische Ausgänge von +20V und -5V und ermöglichen so ein effizientes Schalten von SiC-MOSFETs. Die Serie RxxP21503 liefert asymmetrische Spannungen von +15V und -3V, die für SiC-MOSFETs der zweiten Generation optimiert sind.

GaN HEMTs. GaN-Treiber mit hoher Slew-Rate erreichen mit den DC/DC-Wandlern der Serien RP-xx06 und RxxP06 von RECOM, die durch hohe Isolationsspannung und geringe Isolationskapazität überzeugen, eine optimale Schaltleistung bei +6V. Für Anwendungen mit erhöhtem Störpotenzial bietet RECOM auch Wandler mit +9V Ausgang an, die über eine Zenerdiode auf +6V und -3V aufgeteilt werden können, um beim Abschalten eine negative Gate-Spannung sicherzustellen und den Schwellwert zuverlässig zu unterschreiten.

In der folgenden Tabelle sind die empfohlenen DC/DC-Wandler für WBG-Bauelemente und IGBTs zusammengefasst.

IGBT RxxP2xx, RxxPxx, RP, RH und RKZ Serien in einem kompakten SIP7-Gehäuse RV und RGZ Serien im flachen DIP14-und Mini-DIP24-Gehäuse +15V/-9V Ausgänge Bis zu 6,4kVDC Isolierung 5V, 12V oder 24V Eingänge 1W oder 2W Gesamtleistung Symmetrische Leistung Bis zu 86% Effizienz Betriebstemperatur bis zu +90°C EN zertifiziert 3 Jahre Garantie

SiC Serien RXxP2J 503D, RxxP22005D, RKZ-Xx2005D in einem kompakten SIP7-Gehäuse +15/-3V & +20/-5V Ausgänge SMD RA3 Serie mit +15/-5, +15/-3 oder +20/-5V Ausgängen Bis zu 6,4kVDC Isolierung 5V, 12V, 15V oder 24V Eingänge 2W Gesamtleistung (3W für RA3) Symmetrische Leistung oder symmetrischer Stromausgang Bis zu 87% Effizienz Betriebstemperatur bis zu +90°C EN/IEC/UL zertifiziert 3 Jahre Garantie

GaN RJZ, RK, RP, RV, RxxPxx, RxxP2xx in einem kompakten DIP14-, DIP24- oder SIP7-Gehäuse +6V/+9V Ausgänge SMD RA3 Serie mit +7/-1, +8V oder +9V Ausgängen Bis zu 6,4kVDC Isolierung 5V, 12V, 15V oder 24V Eingänge 1W oder 2W Ausgangsleistung (3W für RA3) Bis zu 83% Effizienz Betriebstemperatur bis zu +90°C EN/IEC/UL-zertifiziert 3 Jahre Garantie

Das R-REF-HB Half-Bridge Gate-Drive Power Supply Reference Design (RD) besteht aus einer Halbbrücke, die für Spannungen bis 1kVDC ausgelegt ist, sowie einer vollständig isolierten Treiberstufe mit getrennten Stromversorgungen für Low-Side- und High-Side-Schalttransistoren.

Der R-REF01-HB enthält die DC/DC-Wandler R12P22005D, R12P21503D, R12P21509D und R12P06S und kann Gate-Treiberspannungen erzeugen, die für SiC- und GaN-Bauelemente geeignet sind. Mit diesen Wandlern können die folgenden Gate-Treiberspannungen erzeugt werden:

• +20V/-5V
• +15V/-3V oder +18V*
• +15V/-9V
• +6V

Die RECOM-Ingenieure verfolgen die Entwicklungen in diesem Bereich kontinuierlich und empfehlen geeignete Gate-Treiber-Stromversorgungen, sobald neue Bauelemente auf den Markt kommen. Gen IV 35mΩ 650V GaN-FETs sind beispielsweise im TO-247-Gehäuse mit zusätzlichem Kelvin-Source-Pin für eine optimierte Schaltsteuerung erhältlich. RECOM empfiehlt in diesem Fall den Einsatz des R-REF01-HB mit einer Treiberspannung von +15V/-3V, um die maximale Leistung dieser Technologie zu erzielen.

Die Technologie der WBG-Stromversorgungen entwickelt sich rasant weiter, und laufend kommen neue Gate-Treiber auf den Markt, um moderne Bauelemente und Topologien zu unterstützen. RECOM verfolgt diese Entwicklungen genau und unsere Ingenieure können die passende Stromversorgungslösung für Ihre WBG-Anwendung empfehlen.