GaN-Treiber für Hochgeschwindigkeits-Leistungswandlung

STMicroelectronics hat zwei Halbbrücken-Gate-Treiber für Enhanced-Mode-GaN-HEMTs vorgestellt, die auf Anwendungen in der Bewegungssteuerung und Leistungswandlung abzielen, bei denen hohe Schaltgeschwindigkeiten, thermische Effizienz und kompakte Systemintegration erforderlich sind.

Hochfrequentes Schalten in der Leistungselektronik
Galliumnitrid (GaN)-Bauelemente werden in der Leistungselektronik zunehmend eingesetzt, da sie im Vergleich zu siliziumbasierten Lösungen schnellere Schaltvorgänge und geringere Verluste ermöglichen. Die neuen Treiber unterstützen diese Eigenschaften durch präzise gesteuerte 5-V-Gate-Signale mit hoher Störfestigkeit.

Die beiden Varianten decken unterschiedliche Spannungsklassen ab: eine bis 220 V und eine bis 600 V. Damit eignen sie sich für eine Vielzahl industrieller Anwendungen, darunter Motorantriebe, Stromversorgungen und Leistungswandler.

Eine Propagationsverzögerung von nur 50 ns, eng abgestimmt zwischen High-Side und Low-Side, ermöglicht synchronisierte Schaltvorgänge. Zudem sorgt eine dV/dt-Festigkeit von ±200 V/ns für stabilen Betrieb in hochdynamischen Schaltumgebungen, was höhere Drehzahlen und bessere Systemeffizienz unterstützt.

Integrierte Architektur reduziert Designaufwand
Die Treiber integrieren mehrere Funktionen, die üblicherweise diskret realisiert werden. Dazu gehören High-Side- und Low-Side-LDO-Spannungsregler, eine Bootstrap-Diode sowie Schutzfunktionen wie Unterspannungsabschaltung (UVLO).

Ein integrierter Schnellstart-Spannungsregler stabilisiert die Versorgung des Gate-Treibers und gewährleistet ein konsistentes Schaltverhalten beim Einschalten. Dadurch wird zusätzlicher externer Schaltungsaufwand reduziert und die Stückliste (BOM) verkleinert.

Die Ausgangsstufe bietet getrennte Source- und Sink-Pfade mit Stromfähigkeiten von bis zu 1,8 A (Sink) und 0,8 A (Source). Entwickler können dadurch Ein- und Ausschaltverhalten gezielt anpassen und dV/dt sowie dI/dt optimieren, ohne externe Abschaltdioden zu benötigen. Dies ermöglicht schnellere Abschaltvorgänge bei gleichzeitig reduzierter parasitärer Induktivität.

Integrierte Schutzfunktionen und Smart Shutdown
Für den Einsatz in industriellen Umgebungen verfügen die Treiber über mehrere Schutzmechanismen. Ein integrierter Komparator erkennt Überstrom und schaltet beide GaN-Transistoren ab.

Die Smart-Shutdown-Funktion hält die Schalter ausreichend lange deaktiviert, um eine thermische Erholung zu ermöglichen. Ein dedizierter Fehlerausgang signalisiert Überstrom-, Übertemperatur- und UVLO-Zustände an die Systemsteuerung.

Flexible Integration in industrielle Systeme
Die Treiber unterstützen Logikeingänge bis 20 V und verfügen über einen dedizierten Shutdown-Pin zur Reduzierung des Energieverbrauchs im Ruhezustand. Dies erleichtert die Integration in bestehende Steuerarchitekturen.

Beide Bauelemente sind für einen Temperaturbereich von −40 °C bis 125 °C qualifiziert und in einem kompakten 4 mm × 5 mm QFN-Gehäuse verfügbar. Dies unterstützt hochintegrierte Designs mit hoher Leistungsdichte.

Anwendungsbereiche und Einordnung
Die Treiber sind für Hard-Switching-Anwendungen ausgelegt, in denen GaN-Technologie Effizienzvorteile bietet, beispielsweise in der Bewegungssteuerung, industriellen Automatisierung und Leistungswandlung.

Im Vergleich zu herkömmlichen siliziumbasierten Gate-Treibern ermöglichen GaN-optimierte Lösungen höhere Schaltgeschwindigkeiten und geringere Verluste. Dies führt zu kleineren passiven Komponenten und verbessert die Gesamteffizienz, insbesondere in modernen, digitalisierten industriellen Systemen.

Bearbeitet von der Industriejournalistin Sucithra Mani mit Unterstützung von KI.

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