GaN-Kaskode mit ausgezeichnetem Bodydioden-Verhalten

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GaN und elektromagnetische Störungen

Unter dem Strich begrenzt das Verhalten der Bodydiode die Leistung sämtlicher 600-V-Schalteroptionen, weil immer ein Kompromiss zwischen Schaltgeschwindigkeit und EMI infolge der di/dt- und dv/dt-Charakteristika beim Reverse Recovery geschlossen werden muss. Anders ausgedrückt: Man muss Silizium-FETs verlangsamen, wodurch wiederum die Schaltverluste ansteigen, um die geleitete EMI umgehen zu können.

Die erste GaN-Schaltergeneration, die jetzt auf den Markt kommt, zeigt wesentliche Verbesserungen gegenüber den besten erhältlichen Si-FETs, und der Technologie steht eine lange und innovative Zukunft bevor, mit bedeutenden Verbesserungen bei jeder weiteren Generation.

Infolge der Geschwindigkeitsvorteile von GaN kamen Bedenken auf, dass dessen Einsatz die elektromagnetischen Störungen (EMI) verstärken könnte und es schwierig wäre, die Emissionsrichtlinien einzuhalten. Doch in Wirklichkeit enthält die Wechselrichterschaltung zwei Emissionsquellen: erstens die Flankensteilheit (Slew-Rate, dv/dt) der Wechselrichterausgänge und zweitens die dv/dt und das daraus resultierende Ringing und die Überschwingspannung, verursacht durch die Dioden-Recovery.

In diesem Beispiel wird, da die Spannungs-Slew-Rate der Si- und der GaN-Bausteine ähnlich groß ist, davon ausgegangen, dass die niedrige Recovery-Ladung und der Spitzenstrom der GaN-Bodydiode die geleiteten Emissionen bei manchen Frequenzen tatsächlich um beeindruckende 40 dB reduzieren.

Die Ergebnisse in Bild 4 vergleichen eine mit 20 kHz betriebene Halbbrücken-Inverterstufe mit einem 300-V-Bus mit ungefähr 2,5 A Ausgangsstrom. Links ist ein 160-mΩ-GaN-Kaskodenschalter in einem PQFN-Gehäuse zu sehen, dem rechts ein IRGB20B60-IGBT gegenübergestellt ist.

Der EMI-Test wurde ohne EMI-Filter durchgeführt. Man beachte, dass die GaN-Bausteine ohne Filter den Messungen nahezu entsprechen (gepunktete Linie) – erforderlich wäre lediglich eine Dämpfung im Bereich 10 bis20 MHz (viel leichter zu filtern als 0,1 bis 2 MHz, bei denen eine Dämpfung von 10 bis 20 dB benötigt wird, damit der IGBT die Grenzen einhält).

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