GaN-Leistungsalbleiter

Vorteile von GaN-FET-Modulen gegenüber Silizium-Pendants

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Abgesehen von den high-seitigen Ein- und Abschaltverlusten ist die erzwungene Kommutierung der Body-Diode der low-seitigen MOSFETs eine signifikante Ursache für Schaltverluste in Hochvolt-Gleichspannungswandlern. Dieser Verlust geht hauptsächlich auf die Sperrverzögerungsladung des als Freilauf-Baustein dienenden low-seitigen FET zurück. Er lässt sich mit Formel 4 berechnen:


PRR = fSW x QRR x VIN

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GaN-Halbleiter sind dagegen Majoritätsträger-Bauelemente, sodass bei ihnen keine durch die Sperrverzögerung bedingten Verluste auftreten.

Die Body-Diode des low-seitigen MOSFET leitet während der Totzeit. Hierdurch entsteht in dieser Diode ein Verlust, der auf ihre Vorwärtsspannung zurückzuführen ist. GaN weist im dritten Quadranten eine höhere Vorwärtsspannung auf (VSD = 2 V bei 10 A für den LMG5200, verglichen mit ca. 1 V bei Si-FETs). Deshalb kommt es im GaN-Baustein während der Totzeit zu einem höheren Verlust. Zu dessen Minimierung ist es wichtig, für eine kurze Totzeit zu sorgen. Berechnen lässt sich der auf die Body-Diode zurückzuführende Verlust gemäß der nachfolgend gezeigten Formel 5:


PBD = fSW x VSD x IOUT x (TDEADON+TDEADOFF)

Die in der Ausgangskapazität des MOSFET gespeicherte Energie wird während des Einschaltens abgeführt. Da die Ausgangskapazität in hohem Maße von der Drain-Source-Spannung bestimmt wird, lässt sich dieser Verlust (PCAP) am besten entsprechend der Formel 6 berechnen (darin steht QOSS(VIN) für die bei der Eingangsspannung ermittelte Ausgangsladung des MOSFET):


PCAP = fSW x QOSS x (VIN) x VIN

GaN-Bausteine weisen bei gleichem RDS(on) eine geringere Ausgangskapazität auf als Si-Produkte, sodass ihr PCAP-Verlust erheblich niedriger ausfällt. Auch Gate-Treiber-Verluste tragen zu den Schaltverlusten bei. Eine detaillierte Erklärung der mit dem Gate-Treiber zusammenhängenden Verluste findet sich im Applikations-Report zum LM5113.

Abgesehen von den in diesem Beitrag beschriebenen und mit den aktiven Bauelementen zusammenhängenden Verlusten in einem hart geschalteten Abwärtswandler treten auch Verluste im Zusammenhang mit der Drossel auf. Neben Kernverlusten handelt es sich dabei um AC- und DC-Wicklungsverluste, die bei der Berechnung des Systemwirkungsgrads ebenfalls berücksichtigt werden sollten.

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