Power-Tipp GaN-Schalter einfach und zuverlässig ansteuern

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GaN-Schalter haben ihren Siegeszug in der Leistungselektronik angetreten. Sie bieten Vorteile bei Effizienz und Leistungsdichte. Dadurch sind sie nicht nur für die Spannungswandlung interessant, sondern auch für Elektromotoren und Class-D-Audio-Verstärker. Mit neuen, optimierten Treibern ist auch die Ansteuerung einfach und zuverlässig realisierbar.

GaN-Hableiter bieten hervorragende Eigenschaften beim Einsatz in getakteten Spannungswandlern. Sie bieten eine hohe Spannungsfestigkeit, geringere Schaltverluste sowie eine hohe Leistungsdichte. Mittlerweile gibt es einige ausgereifte Schalter auf Basis der GaN-Technik. Diese Schalter müssen allerdings anders angesteuert werden, als dies bei Silizium-MOSFETs der Fall ist.

Bild 1 zeigt die Leistungsstufe einer Halbbrücke, wie sie beispielsweise bei getakteten Abwärtswandlern (Buck-Technik) Verwendung findet. Wenn die beiden Schalter mit der GaN-Technik ausgeführt sind, müssen Sie beachten, dass GaN-Schalter eine geringere maximale Gate-Spannung vertragen. Bei der Ansteuerung darf diese Spannung nicht überschritten werden.

Außerdem müssen Sie berücksichtigen, dass das schnelle Umschalten des Schaltknotens, also der Verbindung zwischen dem oberen und dem unteren Schalter, nicht dazu führt, dass es zu unbeabsichtigtem Einschalten der GaN-Schalter kommt. Bei Siliziumschaltern ist dieser Fehlerfall unüblich.

Das kann bei GaN-Schaltern durch den Einsatz von getrennten Leitungen zur Gate-Ansteuerung für die steigenden sowie die abfallenden Flanken jedoch verhindert werden. Des Weiteren haben GaN-Schalter in der Brückentopologie erhöhte Leitungsverluste während der Totzeiten. Somit muss die Totzeit bei einer Brückenanwendung hier ganz besonders kurz sein.

Um die Besonderheiten beim Ansteuern von GaN-Schaltern zuverlässig umzusetzen, eignen sich spezielle GaN-Treiberbausteine, z. B. der LT8418. Ein Einsatz mit diesem Treiber in einem abwärtswandelndem Schaltregler ist in Bild 2 dargestellt. Der GaN-Brückentreiber LT8418 bietet eine Treiberstärke bis zu 4 A zum Laden des Gates und bis zu 8 A, um das Gate beim Abschalten wieder zu entladen. Durch jeweils zwei getrennte Ansteuerleitungen, eine zum Laden und eine zum Entladen des Gates, können unterschiedliche Anstiegs- und Abfallzeiten eingestellt werden. Somit wird ein robuster Betrieb gewährleistet.

Die Wandlungseffizienz der Schaltung in Bild 2 liegt bei 48-V-Eingangsspannung, 12-V-Ausgangsspannung und 12-A-Lasttrom bei ca. 97 %. Besonders bemerkenswert ist, dass diese hohe Effizienz bei einer Schaltfrequenz von 1 MHz erreicht wird.

Beim Aufbau einer Leistungsstufe mit GaN-Schaltern ist es besonders wichtig, ein optimiertes Platinenlayout zu erstellen. Die sehr schnellen Schaltflanken können, in Kombination mit parasitären Induktivitäten, zu unerwünscht hohen elektromagnetischen Abstrahlungen führen. Um diese parasitären Induktivitäten möglichst gering zu halten, ist ein kompakter Aufbau der Schaltung unerlässlich. Der Brückentreiber LT8418 wurde auch deshalb in ein sehr kompaktes WLCSP (Waver Level Chip Scale Package) mit den Ausmaßen von 1,7 x 1,7 mm gesteckt.

In LTSpice ist ein komplettes Simulationsmodell des GaN-Treibers LT8418 mitsamt der externen Beschaltung hinterlegt. Bild 3 zeigt einen Schaltplan des LT8418 zur Evaluation mit LTSpice. (kr)

Power-Tipp

Ein Sperrwandler für hohe Leistungen

* Frederik Dostal ist Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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