Erster Treiberbaustein speziell für GaN-FETs ausgelegt

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ROHM Semiconductor GmbH

MEV Elektronik Service GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Restriktionen für High-Side-Treiber

Beim Ansteuern von GaN-FETs wirkt sich die Totzeit generell negativ auf den Gesamtwirkungsgrad des Wandlers aus. Ursache hierfür ist die Tatsache, dass GaN-Bausteine von sich aus keine antiparallele Diode enthalten (die Stromleitung in GaN-Bausteinen erfolgt ausschließlich mit Majoritätsträgern). Es gibt somit keine Sperrverzögerungszeit, und der Spannungsabfall in Sperrrichtung ist größer als bei der antiparallelen Diode von Silizium-MOSFETs.

Um die Stromleitung der Diode angesichts der sehr kurzen Abschaltzeit eines GaN-FET (typisch weniger als 10 ns) auf ein Minimum zu reduzieren, setzt die Industrie darauf, vor dem Einschalten des anderen Bausteins im selben Zweig keine Totzeit einzufügen. Sondern den Treiber stattdessen auf eine Totzeit von 5 ns ±2 ns einzustellen, um die Leitungsverluste in der Body-Diode zu minimieren und einen sicheren Betrieb ohne Shoot-through-Effekte im Zweig zu gewährleisten.

Zur Einhaltung einer derart präzise vorgegebenen Totzeit kommt es sehr auf die Abstimmung der Signallaufzeiten zwischen der High- und der Low-Seite an. Zur Vermeidung von Shoot-through- oder Kreuzleitungseffekten in der Schaltung reicht es üblicherweise aus, diese Zeit im Bereich von 2 ns oder weniger zu halten.

Einfacherer GaN-FET-Einsatz mit dem LM5113

Wollte man einen GaN-FET auf präzise und zuverlässige Weise einsetzen, war man bisher gezwungen, sich fundiertes Wissen über die gerade skizzierten Aspekte anzueignen und einen Treiber aus diskreten Bauelementen aufzubauen. Im letzten Jahr aber stellte National Semiconductor (jetzt TI Silicon Valley Analog, SVA) die ersten speziell für GaN-Bausteine ausgelegten Gatetreiber vor.

Der LM5113, ein 100-V-Brückentreiber für GaN-FETs vom Anreicherungstyp, implementiert sämtliche notwendigen Techniken zur Gewährleistung eines sicheren und zuverlässigen Betriebs. Er enthält eine vollständig integrierte high-seitige Bootstrap-Diode, die die Applikationsentwicklung weiter vereinfacht und die benötigte Leiterplattenfläche minimiert. Außerdem regelt der Baustein die Spannung am potenzialfreien high-seitigen Bootstrap-Kondensator auf 5,25 V, um GaN-Leistungs-FETs optimal und ohne Überschreiten der maximal zulässigen Gate-Source-Spannung anzusteuern (Bild 4).

Der Halbbrücken-Gatetreiber verfügt außerdem über unabhängige Logikeingänge für die high- und low-seitigen Treiber, was viel Flexibilität für den Einsatz in den unterschiedlichsten isolierten und nicht isolierten Netzteil-Topologien bewirkt. Durch kurze und präzise aufeinander abgestimmte Signallaufzeiten ist der Baustein für schnelle Applikationen geeignet und ermöglicht eine Minimierung der Dioden-Sperrverzögerungsverluste.

Die ebenfalls separat herausgeführten Senken- und Quellen-Ausgänge des LM5113 gestatten eine flexible, individuelle Festlegung der Treiberstärken für das Ein- und Ausschalten. Ein niederohmiger Pull-down-Pfad (0,5 Ω) dient als ebenso schneller wie zuverlässiger Abschaltmechanismus für die niedrige Schwellenspannung der GaN-Leistungs-FETs und trägt zur Maximierung des Wirkungsgrads in Netzteilen mit hoher Schaltfrequenz bei.

Diese kurze Abhandlung über die technologischen Verbesserungen, die es hauptsächlich durch den Kampf um jedes Prozent Wirkungsgraderhöhung im Laufe der Jahre bei den Leistunghalbleiterschaltern gegeben hat, zeigt, dass die GaN-Technologie alle Voraussetzungen für eine große Verbreitung mitbringt, denn sie ist durch ihrer Kombination aus positiven Eigenschaften für ein breites Anwendungsfeld interessant. Am deutlichsten wird dieses Potenzial dadurch sichtbar, dass die Halbleiterindustrie bereits mit der Einführung von Treiberlösungen speziell für diese Technologie beginnt.

Der LM5113 entstand aus der Analyse des enormen Potenzials der GaN-Bauelemente und der Besonderheiten, die bei der korrekten Ansteuerung dieser Produkte zu beachten sind, um einerseits die Performance-Vorteile nutzen zu können, andererseits aber Überlastungen auszuschließen. Der vorgestellte Spezial-Treiber übernimmt die präzise Regelung der Gate-Source-Spannung und das Totzeit-Management, verhindert ungewolltes Einschalten und Treiber-Asymmetrien und bringt eine Reihe weiterer Eigenschaften mit.

* * Maurizio Granato, Roberto Massolini ... sind Entwickler im italienischen Team der F&E-Gruppe Silicon Valley Labs

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