Wide-Bandgap-Halbleiter GaN-Kaskode mit ausgezeichnetem Bodydioden-Verhalten

Autor / Redakteur: Eric Persson, Alberto Guerra * / Gerd Kucera

Dieser Artikel vergleicht die Performance und Bauteileigenschaften von Si-FET-, IGBT- and GaN-Kaskoden-Schaltern beim Einsatz in Motorantrieben von Haushaltsgeräten.

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Bild 1: Leitungskennwerte von gleich großen Si-FREDFET-, IGBT- und GaN-Schaltern.
Bild 1: Leitungskennwerte von gleich großen Si-FREDFET-, IGBT- und GaN-Schaltern.
(Bild: IRF)

Jüngste Veröffentlichungen über GaN-Schalter und deren Anwendungen haben sich hauptsächlich mit der Hochfrequenzleistung befasst. Jedoch wird bei deren Einsatz in Motorantrieben die Größe der Magnete durch die Anforderungen an Drehmoment und Leistung des Motors bestimmt.

Daraus folgt, dass eine Erhöhung der PWM-Frequenz lediglich die Schaltverluste in die Höhe treibt, ohne dass die Abmessungen des Magnetteils verringert werden. Außerdem weisen Motoren häufig eine Obergrenze beim angewandten dv/dt (Spannungsanstieg pro Zeit) der Wicklung auf, um Ausfälle der Isolierung sowie Lagerstromprobleme zu mildern.

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Es besteht deshalb wenig Anlass, die PWM-Frequenz höher festzulegen als erforderlich, um den Anforderungen an die Bandbreite des Stromregelkreises und des Ripple-Stroms zu genügen: Typische PWM-Frequenzen reichen von 4 bis 20 kHz, liegen also ohne weiteres im Bereich herkömmlicher Silizium-FETs oder IGBTs.

Selbst bei diesen niedrigen Betriebsfrequenzen bieten 600-V-GaN-Kaskodenschalter beträchtliche Leistungsvorteile gegenüber den besten, heute verfügbaren Silizium-FETs oder IGBTs; und zwar in erster Linie geringere Leitungs- und Schaltverluste bei einer gegebenen Montagefläche, selbst dann, wenn die Schalt-dv/dt auf 6 V/ns verlangsamt wird. Das ermöglicht eine höhere Packungsdichte sowie einen Betrieb ohne Kühlkörper.

Von noch größerer Bedeutung ist, dass die niedrige Qrr der Bodydiode der GaN-Kaskoden-Schalter die Störstromspitzen praktisch vermeidet, die mit dem Rückströmen (Reverse-Recovery) der Bodydiode in Siliziumschaltern verbunden sind. Das führt zu reduzierten elektromagnetischen Störungen (EMI) und vereinfachten Anforderungen an die Filterung.

Der vorliegende Artikel beschreibt beispielhaft die Anwendung eines Motorantriebs für Haushaltsgeräte und vergleicht die Verluste (besonders bei niedrigen Lasten) sowie die charakteristische leitungsgebundene EMI von FET-, IGBT- und GaN-basierten Schaltern miteinander.

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