GaN-Kaskode mit ausgezeichnetem Bodydioden-Verhalten

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Die GaN-Kaskode – idealer Schalter für Wechselrichter?

Die Kaskodenschaltung eines GaN-HEMT plus eines Niedervolt-Silizium-FET (20 bis 40 V) ist in Bild 2 dargestellt. Die Kaskode verhält sich im Wesentlichen wie ein Niedervolt-Si-FET, dessen Betriebsspannung durch den GaN-HEMT erweitert wird. Der GaN-HEMT wird mit dem Drain des Si-FET verbunden und erweitert den Spannungsbereich auf bis zu 600 V. Weil das Gate des HEMT mit der Source des Si-FETs verbunden ist, wird die V_DS des Si-FET zur negativen V_GS des GaN-HEMT und sorgt so automatisch für die erforderliche negative Vorspannung zum Abschalten. Diese Konfiguration vermeidet Gate-Ansteuerungsprobleme, weil das angesteuerte Gate in Wirklichkeit der Niedervolt-Si-FET ist.

Zwar bleibt das Problem des Gate-Bounce bei schnellem Schalten bestehen, doch sind die Schwellenspannung und die maximale Gate-Spannung der Kaskode wesentlich höher als ein Enhancement-Mode-HEMT, wodurch sich eine entsprechend verringerte Empfindlichkeit gegenüber diesen Problemen ergibt. Man beachte, dass es sich bei dem gezeigten Kaskodenbaustein um eine Ausführung von International Rectifier mit vier Anschlüssen handelt, und nicht um den üblichen FET mit drei Anschlüssen. Obwohl der Kelvin-Source-Pin mit demselben Schaltungsknoten verbunden ist wie die Haupt-Source, folgt sie einem anderen Strompfad, der nicht mit dem Haupt-Drainstrom geteilt wird. Auf diese Weise wird die Common-Source-Induktivität vermieden, und die Interface-Probleme der Gate-Ansteuerung infolge des parasitären L di/dt werden weiter reduziert.

Vorteil und Hauptmekmal der GaN-Kaskode

Der Kaskoden-GaN-Schalter zeigt ein ausgezeichnetes Bodydioden-Verhalten. Das ist, verglichen mit IGBTs, Superjunction- oder anderen Si-FET-Alternativen, eines der Hauptmerkmale und einer der wesentlichen Vorteile von 600-VGaN-Kaskodenschaltern: die Sperrverzögerungsladung (Qrr) der GaN-Kaskode ist weit überlegen (sie gleicht der einer SiC-Schottky). Der gemessene Qrr-Wert verläuft ebenfalls nahezu flach über die Temperatur, im Gegensatz zu einem zwei- bis dreifachen Anstieg, den Si-FETs bei erhöhten Temperaturen verzeichnen. Der Grund dafür ist, dass bei einem gegebenen Rds(on) der Wert Qrr in einem 20-bis 40-V-FET mehrere Größenordnungen niedriger liegt als bei einem 600-V-FET. Der HEMT hat keine Minoritätsladungsträger; er fügt also eine gewisse Kapazität hinzu, aber keine zusätzliche Reverse-Recovery-Ladung. Deshalb bietet die Kaskode die niedrige Qrr-Performance eines 25-V-Si-FET, jedoch auf 600 V erweitert.

In Bild 3 sind die Reverse-Recovery-Kennwerte einer vergleichbaren IGBT Co-Pack-Diode zusammen mit Bodydioden von GaN-Kaskode und Si-Superjunction dargestellt. Die IGBT-Diode (rot) weist eine ungefähr 20x größere Qrr auf, und die der Superjunction-FET (blau) ist ungefähr 200x größer als die GaN-Kaskode (grün).

Die Auswirkungen einer niedrigen Qrr sind signifikant, da die Performance der Bodydiode sehr häufig der begrenzende Faktor in hart schaltenden Anwendungen ist: Die 600-V-GaN-Kaskode kombiniert geringere Leitungsverluste als ein IGBT mit einer Reverse-Revory-Ladung, die niedriger ist als die der ultra-schnellen Dioden, wie sie meist bei IGBTs Verwendung finden. Dadurch wird es möglich, den Wechselrichter mit verbessertem Leitungs- und Schaltverlust zu betreiben, und außerdem werden das Ringing und die Überschwingspannung im Vergleich zu Silizium-basierten Alternativen reduziert.

Bei hart schaltenden Topologien wird die Ausgangsladung Qoss des FET bei jedem Zyklus abgestrahlt, folglich is Qoss ein Bestandteil von frequenzabhängigen Schaltverlusten. Ein üblicher Schaltverlust-Gütefaktor für FETs ist aus diesem Grund Rds(on) x Qoss; mit anderen Worten: wieviel ladungsbezogene Ausgangskapazität geht bei einem gegebenen Rds(on) bei jedem Zyklus verloren? GaN-Kaskodenschalter erweisen sich messtechnisch als dreimal besser als die besten, heute verfügbaren Superjunction-FETs. Und dieses Verhältnis wird sich in den kommenden Generationen ständig noch weiter verbessern.

Die Gate-Ladung ist ein weiterer Parameter, bei dem GaN-Kaskoden signifikante Vorteile gegenüber Si-FETs als Alternativen zeigen. Normalisiert man auch hier auf Rds(on), indem man Rds(on) x Qg unter denselben Bedingungen vergleicht, dann zeigt die GaN-Kaskode eine um ungefähr Faktor 8 geringere Gate-Ladung. Nachdem die Gate-Ladung sowohl bei der Ladung als auch bei der Entladung in jedem Schaltzyklus vollständig durch die Ansteuerschaltung des Gates abgebaut wird, reduziert diese Senkung des Qg die Verluste in der Gate-Ansteuerschaltung unmittelbar und verbessert auf diese Weise den Gesamtwirkungsgrad, besonders bei hohen Frequenzen.

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