Entwurf und Charakterisierung eines GaN Multilevel Gate-Treibers

Abstract: Die Auswirkungen des menschengemachten Klimawandels sind allgegenwärtig und erfordern eine voll umfassende Umstrukturierung unserer Energieversorgung. Dem inhärent ist die notwendige Abkehr von fossilen Energieträgern hin zur Elektrifizierung der Gesellschaft, wobei der Leistungselektronik eine Schlüsselrolle zukommt.
Der Einsatz innovativer Bauelemente, wie Galliumnitrid High-Electron-Mobility-Transistors (GaN HEMTs), ermöglicht hierbei steigende Schaltfrequenzen, womit eine Erhöhung der Leistungsdichte und Reduktion des Materialverbrauchs in leistungselektronischen Komponenten erreicht werden kann. Gleichzeitig führt dieser Trend zu steigenden Verlusten in Gate-Treibern beim Umladen der Gate-Kapazität (effektive Eingangskapazität) der Leistungstransistoren. Neben resonanten Gate-Treibern bieten Multilevel Gate-Treiber einen Ansatz, um diese Verluste zu reduzieren, wobei eine Senkung der Ladeverluste aus dem schrittweisen Ladevorgang kapazitiver Lasten resultiert. Hierzu werden zusätzliche Potentiale mithilfe von Kapazitäten erzeugt, welche beim Entladevorgang die Energie für den darauffolgenden Ladevorgang wiederum zwischenspeichern können. Dieser Ansatz ermöglicht, beim Ladevorgang einer Kapazität, die Reduktion der Verluste auf 1 n−1 bei n Level, wobei die Anzahl der Level dem Quantum der elektrischen Potentiale entspricht, auf die die kapazitive Last ge- und entladen wird. Die Erweiterung einer herkömmlichen 2-Level zu einer 3-Level Ladeschaltung führt damit zu einer theoretischen Halbierung der Ladeverluste. Zur Verifizierung dieser Zusammenhänge wird eine Platine mit einem 3-Level Gate-Treiber aufgebaut,
welcher zu Vergleichszwecken mit 2 Level betrieben werden kann. Für die Treiberstufe des Gate-Treibers wird pro Level ein n-Kanal enhancement-mode (e-mode) GaN HEMT verwendet. Im Vergleich zu Si-MOSFETs weisen GaN HEMTs geringere parasitäre Kapazitäten auf, was die davon abhängigen Verluste reduziert.
Die Ansteuerung basiert wiederum auf einem Si-CMOS Levelshifter, womit ein verlustarmes Wandeln der notwendigen Pegel bei geringem Schaltungsaufwandermöglicht wird. Das Laden und Entladen der Gate-Kapazität auf die zusätzlichen Level erfordert eine bidirektionale Leit- und Sperrfähigkeit des entsprechenden Treibertransistors. Anstelle von zwei antiseriell verschalteten Transistoren oder dem Einsatz eines bidirektionalen Dual-Gate HEMTs, wird die Abhängigkeit des bidirektionalen Leit- und Sperrverhaltens von der Gate-Source-Spannung bei GaN HEMTs ausgenutzt, womit lediglich ein GaN HEMT mit einem Gate pro Level benötigt wird. Hierbei reduziert sich auch der Aufwand der Ansteuerung, da für jedes Level des Gate-Treibers lediglich ein Gate und somit ein Signal erforderlich ist. Die Kombination des schrittweisen Ladevorgangs mit der Nutzung des bidirektionalen Verhaltens von GaN HEMTs ermöglicht dem in dieser Arbeit aufgebauten 3-Level Gate-Treiber eine Reduktion der gemessenen Verluste um 35 %, bei einer Schaltfrequenz von 500 kHz und einer Gate-Kapazität von circa 3 nF, im Vergleich zum Betrieb bei 2 Level. Zusätzlich wird die Treiberstufe, zur Anwendung direkt auf dem Chip eines GaN HEMTs, für die monolithische Integration, im Verlauf dieser Arbeit, designt. Diese Ergebnisse bieten die Möglichkeit, die Verluste beim Schalten von, in der Leistungselektronik genutzten, GaN HEMTs zu reduzieren und ermöglichen damit die effizientere Nutzung elektrischer Energie. Im Zuge der anfangs erwähnten Elektrifizierung der Gesellschaft wird ein steigender Verbrauch dieser Energieform erwartet, wobei dieser Ansatz zu einer verlustärmeren Nutzung beitragen kann
Abstract: The effects of the man-made climate change is omnipresent and require a complete restructuring of our energy supply. This involves an abandonment of fossile energy sources towards the electrification of the society. A key role in this case plays the field of power electronics. The utilization of innovative components like Galliumnitrid High-Electron-Mobility-Transistors (GaN HEMTs), permits increasing switching frequencies with the possibilty of higher power densities and reduced material consumption in power electronics. In parallel, this trend leads to increasing losses in the gate-driver by recharging of the gate-capacitance (effective input capacitance) of the power transistors. Beside resonante gate-drivers, multilevel gate-drivers offer an approach to reduce this losses by stepwise charging of the capacitive load. For this purpose, additional electric potentials are generated by capacitances, that store the energy during discharging for the following charging process. This approach brings the possibilty to reduce the losses, during charging a capacitance, by 1 n−1 with n levels, where the number of levels corresponds to the amount of electrical potentials where the capacitive load is charged and discharged to. The theoretical result is a halving of the losses by expanding a typical 2-level to a 3-level circuit. To verify this, a printed circuit board (PCB) with a 3-level gate-driver is set up. For comparison this gate-driver can also be used with 2 levels. For each level of the driver stage one n-type enhancement-mode (e-mode) GaN HEMT is used. GaN HEMTs have smaller parasitic capacitances, compared to Si-MOSFETs, which leads to a reduction of the losses that depend on this. The control of this circuit is based on a Si-CMOS levelshifter that enables an efficient conversion of the signal levels by a small circuit complexity. However, charing and discharging of the gate-capacitance to the additional levels requires transistors with the possibility of bidirectional blocking and conducting. Instead of using two antiseriel connected transistors or the use of a bidirectional dual-gate HEMT, the dependences of the reverse conduction on the applied gate-source-voltage of GaN HEMTs is used, with which only one GaN HEMT with one gate per level isneeded. this results in a reduced effort for controlling this circuit, because for each level of the gate-driver only one gate and therefore one signale is necessary. The combination of the stepwise charging and the use of the bidirectional behaviour of GaN HEMTs allows the 3-level gate-driver, that is set up in this work, a reduction of the measured losses by 35 % at a switching frequency of 500 kHz and a gatecapacitance of approx 3 nF, in comparison to the use of only 2 levels. In addition, during this work the driver stage is designed for monolithic integration on the same chip like the corresponding GaN HEMT. The results of this work provide the opportunity to reduce the losses arising by switching GaN HEMTs that are used in power electronics and enables a more efficient usage of electrical energy.
In the course of the electrification of the society, mentioned at the beginning, an increasing consumption of this kind of energy is expected, whereby this concept can contriubute to a more efficient utilization

Object Details

• Location: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Extent: Online-Ressource
• Language: Deutsch
• Notes: Universität Freiburg, Masterarbeit, 2024

Classification and Topics

• Classification: Elektrotechnik, Elektronik
• Keyword: Galliumnitrid ; HEMT ; Elektrische Eigenschaft ; Treiberschaltung ; Galliumnitrid ; HEMT ; Leistungselektronik

Contributors, Places and Time

• Event: Veröffentlichung
• (where): Freiburg
• (who): Universität
• (when): 2024
• Creator: Grieshaber, Daniel ; Quay, Rüdiger ; Moench, Stefan
• Contributor: Professur für Energieeffiziente Hochfrequenzelektronik ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Institut für Nachhaltige Technische Systeme

Further information

• DOI: 10.24406/publica-3758
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-2575257
• Rights: Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Last update: 15.08.2025, 7:30 AM CEST