DC/DC für GaN

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GaN ist das chemische Symbol für Galliumnitrid, ein III-V-Halbleitermaterial, das gemeinhin als „Wide Bandgap“-Material (WBG) bezeichnet wird, da es (im Vergleich zu Silizium oder Si) einen relativ hohen Energiebedarf hat, um ein Elektron eines Atoms aus dem Valenzband (z.B. - Isolator) in das Leitungsband (z.B. - Leiter) zu schlagen.

Für einen elektronisch gesteuerten Schalter benötigt man ein Material, das im ausgeschalteten Zustand ein hohes elektrisches Durchbruchsfeld (z.B. eine Sperrspannung) und im eingeschalteten Zustand sehr niederohmige Leitungskanäle aufweist. Deshalb eignen sich WBG-Materialien hervorragend als Halbleiterbauelemente. Einige andere WBG-Halbleiter, von denen Sie vielleicht schon gehört haben, sind Siliziumkarbid (SiC), Galliumarsenid (GaAs) oder Aluminiumnitrid (AlN).



Abbildung 1 - Radar Chart Benchmarking der Leistungszahlen für WBG-Materialien im Vergleich zu Si, mit freundlicher Genehmigung von PowerRox [1]


GaN hat auch einige andere interessante Eigenschaften, die es für verschiedene Anwendungen attraktiv machen. Seine Elektronenbeweglichkeit und sein Schmelzpunkt ermöglichen Hochstromkanäle und höhere Temperaturen (bzw. erhöhte Zuverlässigkeit bei relativ gleichen oder niedrigeren Temperaturen).

Bei der Herstellung von Transistoren können die resultierenden Bauelemente eine niedrigere Gate-Ladung und einen äquivalenten Kanalwiderstand im Ein-Zustand (RDS_ON) als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) auf Si-Basis aufweisen. Obwohl es viele Arten von GaN-basierten Schaltern gibt, wollen wir uns auf den GaN-Hoch-Elektronen-Mobilitäts-Transistor (HEMT) als Beispiel für eine Art konzentrieren (seine Struktur ist in Abbildung 2 dargestellt). Bei aktiviertem Gate fließt der Strom sehr schnell durch die flache GaN-Schicht in einem sogenannten zweidimensionalen Elektronen-„Gas“ (2DEG) [2], wie in der Abbildung durch die gepunktete Linie dargestellt.



Abbildung 2 – Querschnitt eines lateralen GaN-on-Si-Transistors, mit freundlicher Genehmigung von EPC [3]


Während GaN schon seit vielen Jahrzehnten in Leuchtdioden (LED) und HF-Anwendungen eingesetzt wird, hat sich seine Verwendung in Schaltanwendungen wie Schaltnetzteile und Wandler erst in den letzten zehn Jahren durchgesetzt. Dank der oben beschriebenen attraktiven Eigenschaften können Stromversorgungen mit GaN-Schaltern viele der wichtigsten Größen-, Gewichts- und Leistungsfaktoren (auch bekannt als SWaP-Faktoren) erfüllen, die in der Regel die entscheidenden Faktoren für das Design praktisch jeder Stromversorgungslösung sind.

Geringere RDS_ON- und Gate-Übergangszeiten tragen dazu bei, die Leitungs- bzw. Schaltverluste zu reduzieren, was zu einem insgesamt höheren Wirkungsgrad des Treiberstrangs führen kann. Diese Eigenschaften bieten einen weiteren Bonus, denn sie ermöglichen die Steuerung der Schalter mit einem geringeren Tastverhältnis (D), was höhere, direkte Umwandlungsverhältnisse ermöglicht, die mit MOSFETs unpraktisch waren (z.B. direkte Umwandlung von 48 V in 1 V).

Wenn schnell zu schnell ist

WBG-Schalter können schnell und zwar WIRKLICH schnell sein. Tatsächlich kommen sie den idealen Schaltern (z.B. mit einer Übergangszeit von Null), über die man in Lehrbüchern erfährt, so nahe wie möglich. Diese schnellen Übergänge sind auf die sehr geringe Gate-Ladung und die sehr hohe Elektronenbeweglichkeit von Materialien wie GaN zurückzuführen. Ein- und Ausschaltvorgänge können in <1 Nanosekunde (1 ns = 10-9 Sekunde) selbst bei einigen Anwendungen mit ziemlich hoher Leistung erfolgen.

Diese Übergänge sind so schnell, dass die meisten Ingenieure, die versuchen, diese Übergänge auf ihren Boards zu messen, wahrscheinlich nicht einmal ein Oszilloskop mit der geeigneten Bandbreite (BW) verwenden, um sie ausreichend zu erfassen (siehe z.B. das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem [4]). Muss man ein Signal mit Übergängen im Nanosekundenbereich ordnungsgemäß messen und charakterisieren, dann muss die Bandbreite des Oszilloskops im GHz-Bereich liegen. Diese Art von Oszilloskopen ist in der Regel sehr teuer und wurde eher für Hochgeschwindigkeitsdatenanwendungen als für die Analyse von Leistungsstufen entwickelt.



Abbildung 3 - Schaltknoten-Wellenformen für den EPC2100, VIN = 12 V bis VOUT = 1,2 V, IOUT = 25 A, 1 MHz mit Angabe der Anstiegs- und Abfallzeiten, mit freundlicher Genehmigung von EPC [5]


Die negativen Auswirkungen dieser extrem schnellen Schaltknoten-Übergangsraten sind erhöhte elektromagnetische Interferenzen (EMI) und Überschwinger/Oszillationen, die beide auf unerwünschte Energieabflüsse oder genauer gesagt auf einen unsachgemäßen Fluss energiereicher Übergangsströme zur Erde in parasitäre Induktivitäten oder äquivalente Serieninduktivitäten (ESL) zurückzuführen sind. Im Rahmen dieses Blogs werden wir diese Themen nur kurz anreißen, um die wichtigsten Punkte anzusprechen, aber Sie sollten sich zusätzliche Ressourcen ansehen, um diese Themen wirklich mit der gebührenden Gründlichkeit zu behandeln.

in fast allen vergleichbaren Anwendungen (wir sollten uns im Rahmen dieser Diskussion zumindest auf Nicht-RF-Schaltnetzteilanwendungen beschränken) stellen WBG-Bauteile KEINEN Ersatz für ihre Si-Zeitgenossen dar. Die stark verringerte Schaltenergie und die hohe Elektronenbeweglichkeit eines GaN-HEMT im Vergleich zu einem Si-FET können Übergänge im Nanosekundenbereich ermöglichen, aber diese extremen Stromübergänge können nun dazu führen, dass zuvor harmlose parasitäre Schleifeninduktivitäten nun einen katastrophalen Spannungsüberschwinger verursachen, wie in den einfachen Rechenbeispielen unten gezeigt wird.



Gleichung 1 zeigt die Beziehung zwischen Überschwingspannung, parasitärer Induktivität und Stromänderungsrate.


Parasitäre Induktivitäten von nur wenigen Nanohenries können bei Stromanstiegsgeschwindigkeiten (di/dt) in Si-basierten Designs als vernachlässigbar angesehen werden, aber für ein GaN-basiertes Design katastrophal sein.



Abbildung 4 - Darstellung der Stromflüsse (rot/gelb/grün) mit parasitärer Induktivität in einer Boost-dc-dc-Topologie, mit freundlicher Genehmigung von PowerRox [1]


Die obenstehende Gleichung verdeutlicht, welche katastrophale Auswirkungen eine so geringe ESL allein durch das Komponentenpaket auf das Design haben kann. Und das sogar, bevor man extrem viel Zeit und Mühe in ein sehr sauberes, dichtes Layout gesteckt hat. Lassen Sie sich jedoch nicht täuschen: Ordnungsgemäße Layouttechniken und bewährte Verfahren für GaN-Schaltungen sind Ihre beste Waffe im Kampf gegen EMI und hartes Versagen von Umwandlern (d.h. die Selbstzerstörung durch unkontrollierte Oszillation, die schließlich zu einer elektrischen Überlastung oder einem EOS-Szenario führt).



Abbildung 5 - Berechnung der parasitär-induzierten Spannungsüberschwinger durch gängige Gerätepakete und Charakteristiken, mit freundlicher Genehmigung von PowerRox [1]


Herausforderungen für Gate-Treiber

Die Gate-Schwellenwerte (Vth) von WBGs sind in der Regel niedriger als die ihrer Si-Gegenstücke und haben niedrigere absolut Maximalspannungen, so dass die Anforderungen an die Gate-Ansteuerung, um das Potenzial von GaN zu nutzen, auch eine ziemlich steile Lernkurve aufweisen, die mit der Entwicklung und robusten Implementierung solcher Lösungen verbunden ist. Es gibt eine Vielzahl von Lösungen auf dem Markt, um diese Herausforderungen zu meistern, von integrierten Gate-Treibern (oder sogar kompletten Leistungsstufen) bis hin zu voll qualifizierten Leistungsmodulen.

Das bedeutet, dass in der Gate-Ansteuerungsschaltung mehr Vorsicht geboten ist, denn es besteht das Risiko eines Shoot-Through (oder eines falschen Einschaltens) aufgrund hoher Übergangsraten (dV/dt), die auf die Gate-Source-Kapazität (auch Miller-Kapazität oder CGS genannt) des Schalters einwirken, die ein Potenzial an die Gate-Drain-Kapazität (CGD) anlegen und ein unerwünschtes Einschalten auslösen kann. Wenn dies geschieht, während ein synchrones Bauelement ebenfalls eingeschaltet ist, kann es zu einem Shoot-Through-Ereignis (auch bekannt als Cross-Conduction) kommen. Im besten Fall führt dies zu einer Verringerung des effektiven Wirkungsgrads und im schlimmsten Fall zu einem Ausfall des DC/DC-Wandlers.

Verschiedene Arten von GaN können unterschiedliche Anforderungen an die Gate-Ansteuerung haben und dies kann einen der schwierigsten Aspekte bei der Entwicklung von GaN-Komponenten darstellen. Einige können direkt angesteuert werden und sind normalerweise ausgeschaltete Bauelemente, andere verwenden eine so genannte Kaskodenanordnung, bei der ein MOSFET im Enhancement Mode (d.h. normalerweise ausgeschaltet) verwendet wird, um das Gate des GaN-Bauelements im Depletion Mode (d.h. normalerweise eingeschaltet) anzusteuern. Einige können negative oder versetzte Gate-Treiberspannungen benötigen. Aus diesem Grund kann es sehr vorteilhaft sein, einen entsprechenden GaN-Treiber zu einzusetzen, selbst wenn man seine eigene DC/DC-Lösung entwickelt.

Jede Menge Ressourcen

Es gibt eine Menge großartiger Ressourcen, um sich über GaN-Lösungen zu informieren, sie zu erwerben und zu implementieren. Einige davon haben wir oben bereits genannt. Nutzen Sie diese und machen Sie Ihre Hausaufgaben, wenn Sie neu im Bereich WBG und GaN-Lösungen sind. Sie werden viele Bau- und Testiterationen durchlaufen müssen, um ein wirklich robustes, GaN-basiertes Design zu erhalten, insbesondere wenn Sie neu in diesem Bereich sind.

Zur Erinnerung: GaN ist kein sofortiger Ersatz für Si und sollte daher nicht als solcher betrachtet werden! In den ersten Tagen der Erforschung des Einsatzes von GaN in Stromversorgungen haben viele Leute diese Lektion auf die harte Tour gelernt und sind sogar von ihrer Meinung über die Lebensfähigkeit von WBG abgerückt, weil sie bei den ersten Misserfolgen die Bedeutung von sorgfältig gehandhabten Layout-Praktiken und robustem Gate-Treiber-Design nicht erkannt haben.

REFERENZEN

[1] E. Shelton, P. Palmer, A. Mantooth, B. Zahnstecher, G. Haynes, „WBG Devices, Circuits and Applications,” APEC 2018 Short Course, San Antonio, TX, 4. März 2018.
[2] Wikipedia contributors, „Two-dimensional electron gas,“ Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Two-dimensional_electron_gas&oldid=955419012 (abgerufen am 27. Mai 2022).
[3] „eGaN® Technology“, EPC FAQs. [Online]. Verfügbar: https://epc-co.com/epc/FAQ/eGaNTechnology.aspx.
[4] Wikipedia contributors, „Nyquist–Shannon sampling theorem,“ Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Nyquist%E2%80%93Shannon_sampling_theorem&oldid=1086141927 (abgerufen am 27. Mai 2022).
[5] „GaN Integration for Higher DC-DC Efficiency and Power Density,“ EPC Application Note AN018. [Online]. Verfügbar: https://epc-co.com/epc/DesignSupport/ApplicationNotes.aspx.