Wählen Sie einen Gate-Treiber mit hoher CMTI, der Ihre SiC-Schalter-Dead-Time reduziert

Zusammenfassung   Da GaN- und SiC-FETs beginnen, MOSFET- und IGBT-Technologien in Leistungsumschaltanwendungen zu ersetzen, diskutieren wir die wichtigsten Spezifikationen für die Auswahl eines isolierten Gate-Treibers. Wir erläutern die Bedeutung von CMTI und der Laufzeitverzögerung und stellen einen isolierten Gate-Treiber-IC vor, der ideal für die Verwendung mit diesen neuen Leistungstransistoren ist.

Einleitung   „Wie man so schön sagt, endete die Steinzeit nicht, weil uns die Steine ausgingen; wir wechselten zu besseren Lösungen. Dieselbe Chance eröffnet sich uns bei der Energieeffizienz und sauberer Energie.“ Während die Welt ihren Übergang weg von fossilen Brennstoffen beschleunigt, weit vor deren prognostizierten Erschöpfung, waren die Worte des Nobelpreisträgers Steven Chu noch nie so treffend. Neue Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) werden an der Spitze dieser Energieeffizienzrevolution stehen. Im Vergleich zu bestehenden MOSFET- und IGBT-Technologien werden diese neuen Materialien es ermöglichen, kleinere und leichtere Komponenten herzustellen, was Kosten und Energieverbrauch in Anwendungen von Automobilen bis zu Solarzellen-Wechselrichtern reduziert (Abbildung 1).

Abbildung 1. Wechselrichterboxen, die mit Photovoltaikmodulen verbunden sind.

Neue Leistungsschalter, die diese Materialien verwenden, werden unterschiedliche Anforderungen an die Komponenten stellen, die sie steuern, insbesondere an den Gate-Treiber. In dieser Entwurfslösung betrachten wir die Anwendungsbereiche für GaN und SiC im Vergleich zu MOSFET- und IGBT-Schaltern und diskutieren die Auswirkungen auf deren Gate-Treiber. Wir erklären die wichtigsten Spezifikationen zur Auswahl eines isolierten Gate-Treibers, bevor wir eine Familie von ICs vorstellen, deren Leistungsniveau sie viel besser für diese neuen Technologien geeignet macht als alternative Angebote.

Herausforderung des Status quo   Bis vor kurzem war die Wahl einer Schalttechnologie für Stromversorgungssysteme relativ trivial. MOSFETs wurden häufig für Spannungen bis zu 600V verwendet, wobei IGBT die bevorzugte Technologie für höhere Spannungen war. Die laterale Kristallstruktur neuer Leistungsschaltertechnologien wie Galliumnitrid und Siliziumkarbid bietet jedoch mehrere bedeutende Vorteile in Bezug auf die Leistung gegenüber den bestehenden Technologien. Der erste Vorteil ist, dass sie kleiner sind und höhere Schaltfrequenzen ermöglichen. Die Erhöhung der Schaltgeschwindigkeiten von Dutzenden Kilohertz auf Hunderte Kilohertz steigert die Effizienz. Zweitens können sie sicher bei höheren Strömen und Temperaturen betrieben werden. Dies bedeutet, dass sie kleinere Transformatoren und Kühlkörper benötigen, was leichtere Motoren ermöglicht. In Elektrofahrzeugen erhöht diese verringerte Größe und Gewicht die Reichweite. Ebenso macht die Reduzierung der Größe von Solarwechselrichtern diese besser geeignet für Hausanwendungen. Neuere GaN-Bauelemente können bis zu 600V betrieben werden. Da die Technologie günstiger wird, ist sie gut positioniert, um schließlich die MOSFET-Technologie zu ersetzen, wobei SiC IGBT in Anwendungen mit höheren Spannungen ersetzt.

Kein kostenloses Mittagessen   Auch wenn diese Vorteile beträchtlich sind, gibt es eine Einschränkung. Abbildung 2 zeigt eine Schaltung, bei der ein Niederspannungsmikrocontroller galvanisch (aus Sicherheitsgründen) vom Hochspannungsbereich, der die Ausgangsschalter und ihren Gatetreiber umfasst, isoliert ist. Schnellere Schaltgeschwindigkeiten erhöhen die Anfälligkeit für schnellere Schalttransienten. Zum Beispiel schalten GaN-Energiesysteme typischerweise in 5ns (eine Größenordnung schneller als herkömmliche MOSFET-Systeme). Angenommen, ein typisches 600V Hochspannungsnetz, führt dies zu einem Schalttransienten von (600V/5ns) = 120kV/µs.

Abbildung 2: Typische isolierte Stromwandler-Schaltung.

Schnelle Rauschtransienten können die Datenübertragung über die Isolationsbarriere verfälschen oder, schlimmer noch, einen Störimpuls verursachen, der dazu führen könnte, dass beide Leistungs-FETs gleichzeitig eingeschaltet werden und so einen gefährlichen elektrischen Kurzschluss verursachen. Um diese Situation zu vermeiden, benötigen schnelle Schalttechnologien eine Gate-Treiber-Gleichtakttransientenfestigkeit (CMTI) von mindestens 120 kV/µs für Designs, die eine typische Hochspannungs-Schiene von 600 V verwenden. CMTI ist definiert als die maximal tolerierbare Änderungsrate der Gleichtaktspannung, die zwischen zwei isolierten Schaltungen angelegt wird. Die Einheit ist normalerweise in kV/µs. Hohe CMTI bedeutet, dass ein Signalpegel auf beiden Seiten der Isolationsbarriere (innerhalb der Datenblattgrenzen) erhalten bleibt, wenn die Isolationsbarriere mit einem Hochspannungs-Gleichtaktsignal getroffen wird. Eine vereinfachte CMTI-Testkonfiguration in Abbildung 3.

Abbildung 3: Messung von CMTI.

Ausgleich der Ausbreitungsverzögerung   Im in Abbildung 4 gezeigten Schaltkreis ist es zwingend erforderlich, dass unter keinen Umständen beide Schalter gleichzeitig „ein“ sind, da dies zu einem potenziell schädlichen Kurzschlussszenario (üblicherweise als Durchschuss bezeichnet) führen würde. Um dies zu verhindern, muss eine kurze „Totzeit“ vorgesehen werden, in der beide Schalter „aus“ sind. Allerdings leiten GaN-Schalter auch dann noch einen gewissen Strom, wenn sie invers vorgespannt sind. Dies verringert die Effizienz, da während dieser Zeit nicht die gesamte Leistung an die Last übertragen wird. Daher muss ein Kompromiss zwischen einer ausreichend sicheren „Totzeit“ und der damit verbundenen reduzierten Effizienz gefunden werden. Um eine optimale Lösung zu erzielen, ist es notwendig, das Verständnis für die Variabilität der Ausbreitungsverzögerung zwischen einzelnen Gate-Treiber-Teilen, bekannt als Teil-zu-Teil- (oder Kanal-zu-Kanal für Teile mit mehreren Kanälen) Ausbreitungsverzögerungsabgleich, oder als „Skew“ bezeichnet, zu haben. Bei der Gestaltung solcher Schaltungen ist ein Gate-Treiber mit einem möglichst geringen Ausbreitungsverzögerungs-Skew die beste Wahl, da so die Totzeit minimiert werden kann, während sichergestellt wird, dass es niemals zu einem „Durchschuss“ kommt.  

Abbildung 4. Gegentakt-Halbbrückenschaltung.

2-zu-1-Lösung   Abbildung 5 zeigt eine Familie von isolierten Gate-Treiber-ICs, die beide zuvor besprochenen Herausforderungen adressieren.

Abbildung 5. MAX22700D/MAX227002D High CMTI isolierter Gate-Treiber.

Wie in Abbildung 6 gezeigt, haben diese Teile ein CMTI von 300kV/µs (typ), ein Schutzniveau, das das von ähnlichen Teilen übertrifft, was sie ideal für Anwendungen mit GaN- und SiC-Schaltern macht.

Abbildung 6. CMTI-Messung des MAX22700.

Die Verzögerungsverzerrung beträgt bei Raumtemperatur maximal 2 ns und im Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +125°C maximal 5 ns, was dazu beiträgt, die Totzeit zu minimieren und somit die Effizienz zu erhöhen. Weitere Vorteile sind eine präzise Unterspannungsabschaltung (UVLO), die sicherstellt, dass mehrere Bauteile, die Schalter parallel ansteuern, bei derselben Startspannung arbeiten. Dies ist wichtig, wenn die VGS für SiC-Transistoren eingestellt wird. Es gibt mehrere Varianten mit Ausgangsoptionen für den Gate-Treiber gemeinsamen Pin: GNDB (MAX22700), Miller-Klemme (MAX22701) und einstellbare UVLO (MAX22702). Darüber hinaus sind Differenzial- (D-Versionen) oder Single-Ended-Eingangs- (E-Versionen) Varianten verfügbar. Die Isolationsbarriere hat eine Spannungsfestigkeit von 3kVRMS für 60s, um eine robuste Leistung zu gewährleisten. Diese ICs können SiC- oder GaN-FETs mit unterschiedlichen Ausgangs-Gate-Treiber-Schaltungen und B-Seiten-Versorgungsspannungen ansteuern.

Zusammenfassung   Der gestiegene Fokus auf Energieeinsparung in unserem täglichen Leben treibt den Bedarf an, neue Wege zu finden, Dinge zum Laufen zu bringen. SiC und GaN sind Halbleitermaterialien, die in der Lage sind, sicher bei höheren Geschwindigkeiten und Temperaturen zu arbeiten, wodurch leichtere und effizientere Designs in verschiedenen Anwendungen ermöglicht werden. Diese neuen Materialien stellen jedoch neue Anforderungen an die Schaltungen, die sie antreiben. Wir haben gezeigt, warum CMTI und die Verzögerung der Ausbreitung zwei der wichtigsten Spezifikationen sind, die bei der Auswahl eines isolierten Gate-Treibers für Anwendungen mit diesen Schalttechnologien zu berücksichtigen sind. Wir haben eine Familie von isolierten Gate-Treiber-ICs präsentiert, die sowohl über die höchste CMTI als auch die geringste Verzögerung der Ausbreitung verfügen, wodurch sie ideal für den Einsatz mit GaN- und SiC-FETs in USV- und Photovoltaik-Invertern sowie in Motorantrieben sind.