Einfachere GaN-Leistungsumwandlung mit ADI-Controllern

Leistungswandleranwendungen mit Galliumnitrid-Feldeffekttransistoren (FETs) bieten gegenüber Silizium-FETs erhebliche Verbesserungen bei Wirkungsgrad und Leistungsdichte, führen aber auch zu neuen Designüberlegungen. Die den GaN-Bauelementen innewohnenden Fähigkeiten des schnellen Schaltens verstärken selbst kleine Timing-Fehler oder Spannungsabweichungen, was sich auf die Leistung und Zuverlässigkeit auswirken kann.

GaN-Schaltvorgänge können mit Geschwindigkeiten auftreten, die die Möglichkeiten herkömmlicher Kontrollmethoden und Messinstrumente übersteigen. Entwickler müssen die Gate-Spannung streng kontrollieren – in der Regel innerhalb eines engen Bereichs von etwa +6 V bis -4 V – und dabei Spannungsänderungen mit Anstiegsgeschwindigkeiten von über 30 V/ns bewältigen.

GaN-FETs weisen von Natur aus geringere Leistungsverluste auf als ihre Silizium-Pendants. So kann beispielsweise ein 12V-Abwärtswandler mit 100V-GaN-FETs, die bei 500 kHz arbeiten, einen Wirkungsgrad von 97 % erreichen. Dies entspricht einer um ca. 40% geringeren Verlustleistung (eine Steigerung des Gesamtwirkungsgrads um 2%) im Vergleich zur Verwendung von 100V-Silizium-FETs.

Ein wichtiger Anwendungsschwerpunkt für GaN-basierte Leistungsstufen ist die hocheffiziente DC/DC-Wandlung in Systemen wie 48V-zu-12V-Lastpunktdesigns. GaN-basierte Lösungen können bei gleichbleibend hohem Wirkungsgrad deutlich höhere Schaltfrequenzen erreichen, oft im Bereich von 500 kHz und darüber hinaus, was den Entwicklern ermöglicht, die Leistungsdichte zu erhöhen und den Platzbedarf der Lösung zu verringern.

Die Verwirklichung dieser Vorteile erfordert mehr als einen einfachen Wechsel von Silizium zu GaN. Die geringe Gate-Ladung und die extrem schnellen Schaltflanken, die die Leistung steigern, machen die Anwendung zudem empfindlicher gegenüber der Genauigkeit der Gate-Ansteuerung, dem Timing und parasitären Effekten im Layout. Ohne sorgfältige Kontrolle können Probleme wie Überschwingen, Klingeln und elektromagnetische Störungen (EMI) die Effizienzgewinne schnell zunichte machen.

Viele herkömmliche Controller und Standard-Testgeräte können mit den Herausforderungen der GaN-Leistungsumwandlung nicht mithalten, was es schwieriger macht, einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten und die Leistung in realen Designs genau zu messen. In manchen Fällen laufen Entwickler Gefahr, „Geistern hinterherzujagen“, wenn sie versuchen, das tatsächliche Gate-Verhalten von Schaltstörungen mit hohen Spannungsänderungs- und Zeitänderungswerten (dv/dt) zu unterscheiden.

In vielen GaN-Designs benötigen Controller zusätzliche Komponenten, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, einschließlich Schaltungen zur Begrenzung der Gate-Spannung, zur Steuerung des Schaltzeitpunkts und zur Reduzierung von Rauschen und Klingeln. Analog Devices, Inc. (ADI) bietet eine Familie von GaN-Leistungscontrollern mit integrierten Funktionen an, die diese Anforderungen erfüllen und das Gesamtdesign vereinfachen.

GaN-optimierte Controller

Bei der Umstellung auf GaN-basierte Designs geht es weniger darum, die Leistungsumwandlung neu zu erfinden, sondern vielmehr um die Verfeinerung von Implementierungsdetails, insbesondere in den Bereichen Layout, Gate-Steuerung und Messung.

Speziell für GaN entwickelte Gatetreiber bieten oft eine bessere Kontrolle über die Anstiegs- und Abfallzeiten, eine bessere Störfestigkeit und eine präzisere zeitliche Abstimmung. Darüber hinaus werden Layout-Techniken wie die Minimierung der Schleifenfläche und die sorgfältige Verwaltung von Rückleitungen immer wichtiger, um die erwarteten Effizienzgewinne zu erzielen.

Die leistungsstarken DC/DC-Schaltregler-Controller von ADI haben eine gemeinsame Architektur, die sich auf eine präzise Gate-Ansteuerung, ein geregeltes Bootstrap-Management und den Schutz vor Gate-Überspannungen konzentriert. Die integrierte Totzeitsteuerung trägt dazu bei, das Risiko eines Durchschusses zu minimieren und gleichzeitig den Bedarf an zusätzlichen externen Komponenten für die Gate-Ansteuerung zu reduzieren.

Die Familie LTC789x unterscheidet sich in erster Linie durch die Topologie (Buck vs. Boost) und die Anzahl der Kanäle (Single vs. Dual), was eine flexible Auswahl der Leistungsarchitektur auf Systemebene ermöglicht:

• Der LTC7890 ist ein 100V-Doppelkanal-Abwärtsregler, der für Mehrschienen- oder Mehrphasen-Leistungswandlungsanwendungen konzipiert ist. Er ermöglicht es Entwicklern, zwei unabhängige Abwärtswandlerstufen anzusteuern oder sie für einen höheren Ausgangsstrom parallel zu betreiben.
• Der LTC7891 (Abbildung 1) ist ein 100V-Synchron-Abwärtsregler, der für Leistungswandlungsanwendungen mit einem Ausgang, wie z.B. Kern- oder Hochstrom-Lastpunktschienen, entwickelt wurde. Er ist für einfache einstufige Designs zur Abwärtswandlung optimiert, bei denen Regelungsgenauigkeit und Effizienz die wichtigsten Anforderungen sind.

Abbildung 1: ADIs LTC7891-Controller mit internem Smart-Bootstrap-Schalter. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

• Der LTC7892 (Abbildung 2) ist ein 100V-Doppelkanal-Aufwärtsregler, der für Mehrschienen- oder flexible Aufwärtsleistungsarchitekturen vorgesehen ist. Er unterstützt zwei unabhängige Boost-Stufen und ermöglicht kompakte Mehrfachausgangs- oder System-Leistungswandler-Designs, bei denen die Spannung über mehrere Schienen erhöht werden muss.

Abbildung 2: Die Gate-Treiberspannung des LTC7892 von ADI lässt sich zur Leistungsoptimierung und für den Einsatz verschiedener GaN-FETs präzise von 4 V bis 5,5 V einstellen. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

• Der LTC7893 ist ein 100V-Boost-Controller (Step-up-Controller), der für einkanalige Hochspannungs-Frontend- oder Zwischenbus-Anwendungen vorgesehen ist. Er eignet sich für Designs, die eine einzelne, leistungsstärkere Aufwärtsstufe und nicht mehrere Ausgänge benötigen.

Aus der Systemperspektive betrachtet, bleibt die grundlegende Funktion eines Gleichspannungswandlers dieselbe - er wandelt eine Gleichspannung in eine andere um. Bei GaN-Bauelementen verschiebt sich der Schwerpunkt des Designs jedoch auf Implementierungsdetails wie Timing, Layout und Kontrolle von Störsignalen.

Integration von Schlüsselfunktionen

Mit GaN-Bauelementen ist es möglich, mit höheren Schaltfrequenzen zu arbeiten als mit Silizium-FETs. Höhere Frequenzen ermöglichen den Einsatz kleinerer Induktivitäten und in vielen Fällen eine geringere Ausgangskapazität, was die Leistungsdichte erhöht und die Gesamtgröße der Lösung verringert. Der Kompromiss besteht darin, dass die tolerierbare parasitäre Induktivität bei niedrigeren Frequenzen nun zu Klingeln, Überschwingen und EMI beitragen kann.

Diese Herausforderungen erstrecken sich sowohl auf die Kontrolle als auch auf die Validierung. Eine präzise Gate-Spannungsregelung ist erforderlich, um innerhalb des engen Betriebsfensters von GaN-Bauelementen zu bleiben, während ein hohes dv/dt-Schaltverhalten die genaue Messung von High-Side-Signalen mit herkömmlichen Messtechniken erschweren kann. Folglich müssen sowohl die Schaltungsimplementierung als auch die Prüfmethodik an die Geschwindigkeit des Geräts angepasst werden.

Anstatt die Schaltgeschwindigkeit zu maximieren, konzentrieren sich Entwickler zunehmend darauf, sie genau zu kontrollieren. Bei herkömmlichen Silizium-FETs verbessern Entwickler den Wirkungsgrad häufig durch eine stärkere Gate-Ansteuerung, um das Bauelement so schnell wie möglich ein- und auszuschalten. Schnellere Übergänge verringern die Schaltverluste, und das entstehende Rauschen ist in der Regel überschaubar.

GaN-Bauelemente sind bereits in der Lage, extrem schnell zu schalten, und wenn man sie mit einer aggressiven Gate-Ansteuerung weiterentwickelt, können neue Herausforderungen entstehen. Die schnellen Spannungsübergänge können parasitäre Elemente in der Schaltung anregen, was zu Klingeln und EMI führt.

Ein typischer 100V-GaN-FET wird mit etwa 5 V angesteuert, mit einem sicheren Bereich von etwa +6 V bis -4 V. Um innerhalb dieses Fensters zu bleiben, sind eine gut geregelte Gate-Versorgung und eine sorgfältige Kontrolle des Über- und Unterschwingens erforderlich.

Für den Low-Side-FET ist dies problemlos möglich, da eine stabile 5V-Versorgung in der Regel ausreichend ist. Der High-Side-FET ist eine größere Herausforderung. Herkömmliche Bootstrap-Schaltungen können aufgrund des Rückwärtsleitungsverhaltens von GaN die Gate-Spannung unbeabsichtigt über sichere Grenzen hinaus erhöhen. Im Gegensatz zu Silizium-Bauelementen mit einer ~0,7V-Substratdiode kann GaN einen effektiven Spannungsabfall von 2 V bis 3 V aufweisen, was die Spannung am Bootstrap-Kondensator erhöht und zu einer Übersteuerung des Gates führen kann.

In einem GaN-basierten Abwärtswandler kann die High-Side-Gate-Spannung leicht sichere Grenzen überschreiten, wenn das Schalten nicht kontrolliert wird. Ohne einen kleinen Gate-Vorwiderstand kann die Gate-Source-Spannung beispielsweise über das typische Maximum von +6 V ansteigen. Das Hinzufügen eines bescheidenen Widerstands (z. B. ~2 Ω) hilft, diese Spannung zu reduzieren und das Klingeln sowohl am Gate- als auch am Schaltknoten zu dämpfen.

Messung von GaN-Gate-Signalen

Die genaue Messung von Gate-Signalen ist bei GaN-basierten Designs eine Herausforderung. Während Standard-Oszilloskop-Tastköpfe massebezogene Signale wie das Low-Side-Gate und den Schaltknoten erfassen können, ist das High-Side-Gate viel schwieriger zu beobachten. Sein Quellknoten schwankt schnell zwischen V_IN und Masse, mit sehr schnellen Flanken (über 30 V/ns) und hochfrequentem Klingeln.

Diese Bedingungen überschreiten die praktischen Grenzen vieler herkömmlicher Differenzsignalsonden. Infolgedessen verlassen sich Entwickler oft auf spezielle Werkzeuge wie optisch isolierte Sonden, die eine hohe Gleichtaktunterdrückung und Bandbreite bieten, die für die genaue Erfassung von High-Side-GaN-Gate-Wellenformen erforderlich sind. Die Ergebnisse müssen anhand der Referenzdaten des Herstellers überprüft werden, um eine genaue Charakterisierung der Leistung zu gewährleisten.

Ein schlechtes Layout kann die Vorteile der GaN-basierten Leistungsumwandlung verringern oder sogar zunichte machen. Lange Stromschleifen, schlecht platzierte Eingangskondensatoren und übermäßige Gate-Leiterbahninduktivität können Verluste und Rauschen verursachen, die die Vorteile des schnelleren Schaltens zunichte machen. Aus entwurfstechnischer Sicht wird die Leistung nicht mehr in erster Linie durch den Baustein selbst begrenzt, sondern davon, wie gut das System parasitäre Effekte und das Timing beherrscht.

Die Controller von ADI vereinfachen den High-Side-Betrieb, indem sie die Bootstrap-Spannung regeln, um Überspannungszustände zu vermeiden, die bei diskreten Implementierungen häufig auftreten. Dies reduziert den Bedarf an externen Klemmkomponenten und trägt zur Aufrechterhaltung stabiler Gate-Ansteuerungsbedingungen über verschiedene Betriebszustände hinweg bei.

Fazit

Die Controller LTC789x von ADI enthalten alle wichtigen Funktionen, die für den zuverlässigen Betrieb von GaN-basierten Leistungswandlern erforderlich sind, und sind nicht auf eine Vielzahl externer Komponenten angewiesen. Durch die strenge Kontrolle des Timings der Gate-Ansteuerung und der Gate-Spannung tragen die Bauelemente dazu bei, dass GaN-FETs auch bei hohen dv/dt-Schaltvorgängen innerhalb ihrer sicheren Grenzen arbeiten. Die integrierte Steuerung von Totzeit und Schaltübergängen verbessert die Zuverlässigkeit und verhindert Effizienzverluste, selbst bei hohen Schaltfrequenzen. Anstatt sich mit der Komplexität der Gate-Ansteuerung zu befassen, können sich die Entwickler mehr auf die Optimierung der Leistung auf Systemebene konzentrieren, z. B. auf das Layout, das thermische Design und die Leistungsdichte.