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SiC-MOSFET-Design für Gate-Treiber zur Erhöhung von Effizienz und Zuverlässigkeit

Um das Beste aus Siliziumkarbid-Leistungstransistoren herauszuholen, ist ein bis zu fünfmal schnelleres Umschalten von Frequenzen und zwei Mal schnelleren Spannungshub als bei den in der Regel verwendeten Silizium-MOSFETs erforderlich. Das Design eines geeigneten Gate-Treibers erfordert höchste Aufmerksamkeit für transiente Effekte und parasitäre Kapazitäten.

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Siliziumkarbid

Siliziumkarbid-Leistungs-MOSFETs bewegen sich auf eine ungefähre Preisgleichheit mit herkömmlichen Silizium-MOSFETs oder IGBTs zu. Ihre Hauptvorteile sind ein niedrigerer RDS(ON) und reduzierte Schaltverluste, eine höhere Durchschlagsspannung, die sich in überlegener Robustheit niederschlägt, und eine höhere Temperaturbeständigkeit. Sie bieten Entwicklern von Stromwandlern wie Schaltnetzteilen oder Wechselrichtern mehr Freiheit, die Energieeffizienz zu erhöhen, kleinere Komponenten zu spezifizieren und das Wärmemanagement zu vereinfachen, um die Größe und die Engineering-Kosten ohne Einbußen bei der Zuverlässigkeit zu minimieren.

Achten Sie besonders auf das Design des Gate-Treibers, um eine optimale Leistung im ON-Status und beim Schalten von Übergängen sicherzustellen. Das ist wichtig, um die innewohnenden Vorteile von SiC-MOSFETs optimal zu nutzen.

Geheimnisse des SiC-Erfolgs bringen Schaltherausforderungen

Die hohe Durchschlagsspannung von SiC-MOSFETs ist das Ergebnis des breiteren Bandabstands von SiC im Vergleich mit herkömmlichem Silizium. Da die Elektronen etwa drei Mal höhere Energie benötigen, um sich vom Valenzband zum Leitungsband zu bewegen, macht es das im Endeffekt dem SiC-MOSFET möglich, etwa dem Zehnfachen der Durchschlagsfeldstärke einer vergleichbaren Siliziumeinheit zu widerstehen. Betrachtet man das aus der umgekehrten Perspektive, kann die Kanalstärke für eine bestimmte Nennspannung stark reduziert werden, was zu einem niedrigeren Mindestwert von RDS(ON) führt.

Allerdings verhalten sich SiC-MOSFETs im Vergleich mit Siliziumeinheiten anders. Es gibt keinen klar definierten Übergang zwischen den linearen und gesättigten Regionen. Silizium-MOSFET sind dagegen mehr oder weniger vollständig eingeschaltet, wenn VGS die Schwellenspannung übersteigt. So verhält sich die Einheit wie eine nicht-ideale Stromquelle – der SiC-MOSFET weist im Allgemeinen eine niedrigere Transkonduktanz (GM) auf und verhält sich eher wie ein variabler Widerstand. Das Ergebnis ist, dass RDS(ON) weiter abnimmt, wenn die Gate-Spannung in Richtung des maximal zulässigen Grenzwerts VGSmax erhöht wird. Daher ist eine höhere Gate-Spannung beim Einschalten erforderlich, um den überlegenen RDS(ON) des SiC-MOSFET vollständig zu realisieren. Da VGSmax (je nach Einheit) ca. 18–25 V betragen kann, muss der Treiber in der Lage sein, VGS im Bereich von 15 bis 20/22 V anzulegen.

Was das Schaltverhalten angeht, weist der SiC-MOSFET als Majoritätsladungsträger-Technologie von Haus aus keinen Abschaltendstrom auf. Das ist anders als bei einem Silizium-MOSFET, der einen langsam abfallenden Strom aufweist, da sich Ladungsträger im aktiven Bereich wieder zusammenschließen, nachdem die positive Vorspannung von VGS herausgenommen wird. Dieser Strom führt zur Energieableitung, wodurch die Abschaltenergie erhöht wird, und aufgrund des langsamen Abklingens wird die maximal mögliche Schaltfrequenz begrenzt. Das Fehlen von Endstrom bei SiC-MOSFETs ermöglicht die Verwendung von höheren Schaltfrequenzen ohne hohe Energieverluste. In der Praxis können SiC-Einheiten zwei bis fünf Mal höhere Schaltfrequenzen unterstützen als ihre Siliziumpendants [1]. Damit ist die Verwendung kleinerer passiver Bauelemente möglich, was zu einer Reduzierung der Gesamtmodulgröße und der Anzahl der Teile führt, außerdem auch zu einer höheren Leistungsdichte.

Bedenkt man diese Schaltanforderungen, werden die Anforderungen für den Treiber komplizierter. Nicht nur muss der Treiber einen höheren VGS-Wert generieren, um die Einheit „hart“ einzuschalten und RDS(ON) zu minimieren, sondern es ist auch eine schnelle Ausgangsanstiegsgeschwindigkeit von mehreren Volt pro Nanosekunde und mit hoher Stromanschluss-/Stromquellkapazität erforderlich, um den hohen VGS beim Laden und Entladen der Kapazitäten des Gate-Stromkreises aufrechtzuerhalten. Schnelle Ränder und rasche Ladebewegungen stellen Konstrukteure vor Risiken wie Überschreitungen und Klingeln sowie möglicherweise große unerwünschte Spannungssprünge, die zu störendem Schalten der MOSFETs führen könnten.

Einschalten

Um einen schnellen Übergang zu VGS von ca. 15–20 V zu erzielen, wie für das Einschalten des MOSFETs erforderlich, muss der Treiber einen hohen Strom liefern, um die Gate-Kapazität schnell zu laden und den Einschaltvorgang innerhalb von ca. 10 ns abzuschließen. Dieser Strom kann hauptsächlich von einem Massenkondensator im Gate-Treiber bereitgestellt werden und durchläuft den internen Widerstand des Treibers sowie die dem MOSFET-Gate-Stromkreis zugeordneten Widerstände. Der interne Gate-Widerstand einiger SiC-MOSFETs bewegt sich in einer Größenordnung, die diejenige von herkömmlichen Silizium-Einheiten übersteigt, die sich mit der Gate-Kapazität verbindet und eine höhere RC-Zeitkonstante hervorbringt und so einen höheren Strom erfordert, um die Einheit schnell zu schalten. Abbildung 1 zeigt den Stromfluss in der Einschaltphase [2].

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Abbildung 1.Ein hoher Treiberquellstrom wird benötigt, um die Gate-Kapazitäten schnell zu laden. Quelle: onsemi TND6237/D [2].

Zur Vereinfachung der Einschaltvorbereitungen ist ein geringer maximaler VGS (VGSmax) ein wünschenswerter Parameter der Einheit. Damit kann ein relativ einfacher Treiberschaltkreis die Einheit einschalten und einen geringen RDS(ON) erzielen, während eine gute Immunität gegen die Möglichkeit einer unbeabsichtigten Einschaltung gewährleistet wird, wenn das Gerät ausgeschaltet bleiben muss.

 

Ausschalten

Beim Ausschalten bedeutet das Fehlen von Rückstrom, dass die Abschaltenergie (Eoff) nur während der kurzen Überschneidungsphase zwischen abfallendem Drainstrom und zunehmendem VDS abgeleitet wird. Die Minimierung dieser Übergangsphase ist wesentlich zum Erzielen der geringstmöglichen Eoff und macht es notwendig, dass die Ladung so schnell wie möglich vom MOSFET-Gate abgeleitet wird.

In einer Einfachschalter-Topologie wie bei einem Aufwärts-, Abwärts- oder Sperrwandler ist es relativ einfach, das Gate so zu steuern, dass die Einheit so schnell wie möglich abgeschaltet wird. Durch Anlegen eines VGS mit negativer Vorspannung mit einem Gate-Außenwiderstand von nur 1–2 Ω wird ein schnelles Abfließen der Ladung aus dem Gate ermöglicht und die Einheit schnell ausgeschaltet.

Die angelegte Gate-Quellspannung ist auch dafür verantwortlich, den MOSFET bis zum nächsten Einschaltzyklus zurückzuhalten. Angesichts der Tatsache, dass SiC-MOSFETs eine relativ niedrige Gate-Schwellenspannung aufweisen, könnte VTH, Erdungsprellen im kleinen Umfang, eine positive VGS-Vorspannung verursachen, die den VTH übersteigt, wenn der Gate-Treiber nicht dafür ausgelegt ist, eine negative Gate-Spannung zu erzeugen. Daher bietet eine negative VGS-Vorspannung nicht nur eine schnellere Abschaltung, sondern auch eine höhere Immunität gegen unerwünschtes Einschalten.

Bei Konvertern mit Hoch- und Niederspannungs-MOSFETs wie bei Halb- oder Vollbrücken-LLC-Topologien kann das Schalten der Hoch- oder Niederspannungs-Einheit dVDS/dt-Übergänge bei der jeweils anderen Einheit verursachen. Das ist ein vertrauter Effekt in MOSFETs aller Art, der zu ungewolltem Einschalten führen kann, indem Gate-Ströme zum Durchfluss der parasitären CGD-Kapazität der Einheit gezwungen werden. Hier wiederum bietet die negative VGS-Vorspannung einen zusätzlichen Schutz gegen unbeabsichtigtes Einschalten, das sonst die Effizienz des Konverters beeinträchtigen würde.  

Der Treiber sollte eine niedrige Ausgangsimpedanz aufweisen, damit nicht der Strom begrenzt wird, der in die MOSFET-Eingangskapazität Ciss gesteuert werden kann. Eine niedrige Ausgangsimpedanz beschert Entwicklern mehr Flexibilität bei der Steuerung von dVDS/dt-Transienten durch Anpassung des Widerstands RG im Gate-Außenstromkreis und die damit verbundene Vermeidung von unerwünschten Schaltvorgängen.

Zum Einschalten sollte RG einen niedrigen Wert von nur wenigen Ohm aufweisen, damit Ciss schnell geladen wird. Auf der anderen Seite kann ein übermäßig niedriger RG-Wert relativ zum Gate-Außenwiderstand des anderen MOSFET, der ausgeschaltet ist, zum Einschalten der Einheit führen und so unbeabsichtigte Schaltverluste herbeiführen. Der RGON einer Einheit sollte größer sein als der RGOFF der anderen.

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Abbildung 2. Implementierung separater Widerstandswerte für Ein- und Ausschalten für die Vermeidung ungewollten Einschaltens. Quelle: Infineon AN2017-04 [3].

Für jeden MOSFET können separate RGON- und RGOFF-Stromkreise implementiert werden. Abbildung 2 zeigt, wie dies mit zwei Arten von Treibern aus der EiceDRIVER™-Familie von Infineon [3] erreicht werden kann. Der Treiber 1EDI-C links weist separate Quell-/Anschlussausgänge auf, während das Diagramm rechts einen Treiber aus der Familie 1ED-F2 mit einem einzelnen Ausgang und negativer Abschaltspannungskapazität zeigt.

In einem Anwendungshinweis zur Feinabstimmung der SiC-MOSFET-Gate-Treiber [1] empfiehlt STMicroelectronics, dass RGON mindestens das 1,5-fache von RGOFF betragen soll, mit Widerstandswerten von ca. 4,7 und 2,2 Ω.

Weitere wünschenswerte Treiberfunktionen

Enge zeitliche Abstimmung

Die richtige Handhabung der Interaktionen zwischen Hoch- und Niederspannungs-Einheiten bei Schaltübergängen bringt zusätzliche Herausforderungen ins Spiel, zum Beispiel das Sicherstellen einer angemessenen Totzeit, um zu verhindern, dass beide Geräte gleichzeitig ON sind, und um Durchschussströme zu verhindern, die sich für SiC-MOSFETs als ebenso gefährlich wie für herkömmliche Silizium-Einheiten erweisen. Die höheren Schaltfrequenzen von SiC-Konvertern erfordern eine sehr kurze Totzeit. Das wiederum macht es notwendig, die Ausbreitungsverzögerungen zwischen Hoch- und Niederspannungs-Gate-Treibern und zwischen den Hoch- und Niederspannungs-MOSFETs selbst eng aufeinander abzustimmen. In dieser Hinsicht sind die Ausbreitungsverzögerungen wichtiger als die Anstiegs- und Abfallzeiten.

Es ist möglich, einen Treiber mithilfe diskreter Schaltung zu entwickeln, die zum Anlegen geeigneter Spannungen für das Ein- und Ausschalten in der Lage sind, um den Gate-Stromkreis mithilfe kleiner Widerstände zum Ein- und Ausschalten des Gates schnell genug zu laden und zu entladen. Allerdings sind andere wünschenswerte Merkmale wie zum Beispiel ein Entsättigungsschutz komplizierter zu entwickeln.

Schneller Entsättigungsschutz

SiC-MOSFETs sind schwerer gegen Risiken von Überströmen zu schützen als Einheiten auf Siliziumbasis. Ein IGBT beispielsweise operiert bei normaler Leitungsfunktion in einem klar definierten Sättigungsbereich und wird aus der Sättigung hinaus in den linearen Bereich gedrängt, sofern ein Überstrom auftritt. Damit einher geht eine charakteristische, schnell ansteigende Kollektor-Emitter-Spannung, VCE, die relativ einfach als ein Auslöser für die Aktivierung von Überstromschutz zu erkennen ist.

Im Gegensatz dazu operiert der SiC-MOSFET in einem linearen Bereich, in dem sich VDS langsamer ändert, auch wenn ID ansteigt. Daher kann ein Überstromzustand für mehrere Schaltzyklen vorherrschen, bevor eine messbare VDS-Änderung zu verzeichnen ist, die groß genug wäre, um zu Schäden am Gerät zu führen. Aus diesem Grund ist die Entwicklung eines schnell agierenden Stromkreises zur Erkennung von Entsättigung schwierig, die darüber hinaus hohe Immunität gegen fehlerhafte Auslösung bietet. Sie wird noch schwieriger angesichts schneller Schaltgeschwindigkeiten, die für zusätzliche Störungen bei Einschaltübergangen sorgen können. Ein Gate-Treiber-IC, der einen Schaltkreis für schnelle Entsättigung umfasst, zum Beispiel aus der Familie EiceDRIVER™ 1ED-F2 von Infineon oder ON Semiconductor NCP51705, kann diese Hürde überwinden und außerdem geeignete Gate-Spannungen, Einschaltschutzvorrichtungen wie aktive Miller-Klemmen und andere Funktionen wie zum Beispiel Abschaltung bei Unterspannung und Filterung bereitstellen, um die Immunität gegen Störungen und den Schutz der Einheit bereitzustellen.

Aktive Miller-Klemme

Eine aktive Klemme ist oft wünschenswert, um die unerwünschte dVDS/dt-Einschaltung von Leistungs-MOSFETs zu verhindern. Einige Gate-Treiber stellen einen Klemmstift bereit, der unmittelbar mit dem MOSFET-Gate verbunden ist. Intern ist der Stift mit einem Klemmschalter zum niedrigsten Potenzial im Rahmen der Treiberschaltung verbunden. Wird der MOSFET ausgeschaltet, wird auch der Klemmschalter aktiviert, wenn die Gate-Spannung unter einen bestimmten Pegel um die 2 V fällt, um sicherzustellen, dass der MOSFET während jeglicher Bodenprellen-Ereignisse oder dVDS/dt-Transienten ausgeschaltet bleibt. Abbildung 3 zeigt, wie der Miller-Klemmen-Stromkreis im Treiber STMicroelectronics STGAP1S implementiert wird [3].

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Abbildung 3.Die aktive Miller-Klemme setzt das Gate nach dem Ausschalten auf eine niedrige Spannung. Quelle: STMicroelectronics AN4671 [1].

Abschaltung bei Unterspannung

Abschaltung bei Unterspannung (UVLO) deaktiviert den Treiberausgang beim Start vorübergehend, wenn die Stromschienen des Systems aktiviert werden, um den FET zu schützen. Eine geeignete Schwellenspannung für UVLO hängt von der jeweils ausgewählten Einheit ab. Dazu machen es Treiber wie der onsemi NCP51705 möglich, den Schwellenwert über einen Außenwiderstand einzustellen.

Optimales Stromkreislayout

Die Minimierung von parasitären Effekten wie Spureninduktion und Widerständen ist ebenfalls sehr wichtig, um eine gleichbleibende Schaltleistung zu gewährleisten. Mit einem Gate-Treiberchip können viele dieser Herausforderungen umgangen werden. Außerdem lässt sich das richtige Stromkreislayout auf die einfache Sicherstellung reduzieren, dass der Treiber so nah wie möglich beim MOSFET-Gate untergebracht wird.

Fazit

Die Steuerung von SiC-MOSFETs bei hohen Schaltgeschwindigkeiten erfordert eine sorgfältige Handhabung des Gate-Stroms und, idealerweise, asymmetrischer Gate-Treiber-Spannung (VGS) bis zu 15 bis 20 V fürs Einschalten und –4 V bis –5 V fürs Abschalten. VGS von 0 V kann in Einzelschalter-Topologien annehmbar sein, um die zusätzliche Komplexität der Erzeugung einer negativen Spannung fürs Abschalten einzusparen.

In jedem Fall ist das Verhindern unbeabsichtigten Einschaltens durch dVDS/dt-Transiente oder unbeabsichtigte Gate-Ströme einer der wichtigsten Aspekte bei der Entwicklung des Treibers. Eine Reihe von Techniken kann in Betracht gezogen werden, zum Beispiel die Optimierung der Quell-Schwellenspannung des MOSFET-Gates durch Anlegen negativer Spannung beim Abschalten, das Management der Beziehung zwischen Hoch- und Niederspannungs-Einschalt-/Ausschalt-Gate-Widerständen oder Klemmen des Gates zu einer niedrigen Spannung bzw. das aktive Fernhalten des MOSFET.

Gate-Treiber-ICs für SiC-Anwendungen werden mittlerweile auf dem Markt angeboten. Sie unterstützen nicht nur verschiedene Möglichkeiten zur Vermeidung von ungewolltem Abschalten, sondern schließen auch wichtige Sicherheitsfunktionen wie schnellen Entsättigungsschutz mit ein, die mithilfe separater Komponenten nur schwer zu gestalten sind.

Referenzen:

[1] – STMicroelectronics AN4671. How to fine tune your SiC MOSFET gate driver to minimize losses.

[2] – onsemi TND6237/D, September 2017. SiC MOSFETs: Gate Drive Optimization.

[3] – Infineon AN2017-04. Advanced Gate Drive Options for Silicon-Carbide (SiC) MOSFETs using EiceDRIVER™.

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