Elementy elektroniczne dużej mocy

Sterowanie SiC i GaN

W każdym razie aktualnie oferowane tranzystory przełączające GaN nie są tranzystorami MOSFET (z izolowaną bramką) i znacznie różnią się od krzemowych MOSFET-ów. Inne są poziomy napięć potrzebnych do sterowania bramkąi tranzystorów GaN – ogólnie biorąc, 0 V (zatkanie) i 6 V (pełne otwarcie), a to zaletą nie jest z uwagi na bardzo niską wartość napięcia progowego.

Prawdziwe MOSFET-y SiC istnieją, ale wymagają jeszcze innych napięć sterujących. Generalnie do otwarcia MOSFET-ów SiC potrzebne jest napięcie około 18...20 V, czyli znacząco wyższe niż w krzemowych MOSFET-ach (gdzie wynosi 5...12 V), a do szybkiego ich wyłączania stosuje się niewielkie napięcie ujemne, rzędu kilku woltów.

Tylko rozwiązania kaskodowe z oczywistego względu są sterowane praktycznie identycznie, jak klasyczne MOSFET-y.

Nie tylko dlatego omawiane tranzystory SiC i GaN nie mogą tak po prostu zastąpić klasycznych MOSFET-ów. Inne napięcia sterujące bramki to tylko jeden z aspektów zagadnienia.

Omawiane nowe tranzystory WBG są dużo szybsze, a przy ogromnej stromości zmian prądu poważnie dają o sobie znać problemy pasożytniczych indukcyjności doprowadzeń samego tranzystora oraz ścieżek i przewodów. Głównie z uwagi na minimalizację pasożytniczych indukcyjności tranzystory mocy GaN najczęściej mają inne obudowy niż klasyczne. Duża stromość impulsów prądu i napięcia drenu poważnie nasila też problemy związane z pojemnością Millera (Crss), co stawia dodatkowe wymagania obwodom sterowania bramki.

Ponieważ w wysokonapięciowych kluczach stosowane są różne rozwiązania technologiczne i konstrukcyjne, inne są ich niektóre ważne właściwości, jak możliwość przewodzenia prądu w „niewłaściwym” kierunku. W niektórych wbudowana jest dioda między źródłem i drenem jak w MOSFET-ach, krzemowa w układach kaskodowych i dioda WBG w innych. Ale istnieją też odmiany, gdzie takiej diody nie ma. Ponieważ są to tranzystory unipolarne z jednym typem nośników, w stanie otwarcia mogą przewodzić prąd obu kierunkach. Jednak szczegóły są różne i koniecznie trzeba to uwzględnić w niektórych zastosowaniach, na przykład w tak modnych od niedawna przetwornicach rezonansowych.

Na pewno wykorzystanie tranzystorów SiC i GaN wymaga dodatkowej wiedzy, ale jest ona dostępna w publikacjach wiodących producentów. Konstruktor wykorzystujący krzemowe MOSFET-y dość łatwo dostosuje się do specyfiki SiC i GaN. Ułatwieniem i atrakcyjną alternatywą są też gotowe scalone sterowniki dla nowych tranzystorów oraz tranzystory i półmostki z wbudowanym sterownikiem. Przykładem mogą być elementy oferowane przez TI. Rysunek 33 pokazuje uproszczony schemat wewnętrzny układu LMG5200 – (niskonapięciowego) półmostka GaN z wbudowanym sterownikiem.

Rysunek 33.