Analysis of Advanced Resonant Gate Drives for GaN-/SiC-MOSFETs

Abstract

Leistungshalbleiterschalter wie Silizium-(Si)-, Siliziumkarbid-(SiC)-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) und Galliumnitrid-(GaN)-Hochelektronenbeweglichkeitstransistoren (HEMTs) dringen zunehmend in eine Vielzahl von Anwendungsbereichen vor. Mit dem steigenden Wettbewerb werden kontinuierlich neue Treibertechnologien entwickelt, um den wachsenden Leistungsanforderungen moderner leistungselektronischer Systeme gerecht zu werden. Besondere Herausforderungen ergeben sich dabei bei Halbbrücken-, bidirektionalen und Floating-Switch-Topologien, bei denen die Auslegung von Gate-Treibern deutlich komplexer wird. Zusätzliche Komponenten wie Bootstrap-Schaltungen, Pegelwandler, Hilfsstromversorgungen und galvanische Trennungen sind häufig erforderlich, um einen zuverlässigen Betrieb des High-Side-Schalters zu gewährleisten. Diese zusätzlichen Elemente erhöhen jedoch sowohl die benötigte Leiterplattenfläche als auch die Gesamtgröße des Gate-Treibersystems. Zur Bewältigung dieser Einschränkungen schlägt diese Arbeit ein neuartiges Gate-Treiber-Konzept vor, das darauf abzielt, die Komplexität und den Platzbedarf konventioneller Treiberarchitekturen zu reduzieren. Die vorgeschlagene Lösung richtet sich an moderne siliziumbasierte Leistungsschalter, die mit Schaltfrequenzen von mehreren hundert Kilohertz bis über 500 kHz betrieben werden. Das Design ermöglicht eine Leistungsübertragung zwischen den Low-Side- und High-Side-Bereichen von mehr als 500 mW bei gleichzeitiger Einhaltung von Signallaufzeiten im Nanosekundenbereich. Aufgrund dieser Eigenschaften bietet das Konzept eine vielversprechende Grundlage für zukünftige Implementierungen in SiC- und GaN-basierten leistungselektronischen Systemen.

Nowadays, power semiconductor switches such as silicon (Si), silicon carbide (SiC) metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs), and gallium nitride (GaN) high-electron-mobility transistors (HEMTs) are increasingly penetrating a wide range of application domains. As competition intensifies, new driver technologies are continuously being developed to meet the growing performance requirements of modern power electronic systems. Particular challenges arise in half-bridge, bidirectional, and floating-switch topologies, where gate-driver design becomes significantly more complex. Additional components, including bootstrap circuits, level shifters, auxiliary power supplies, and galvanic isolation, are often required to enable reliable operation of the high-side switch. However, these additional elements increase both the required PCB area and the overall size of the gate-driver system. To address these limitations, the paper proposes a novel gate-driver concept aimed at reducing the complexity and footprint of conventional driver architectures. The proposed solution targets state-of-the-art silicon-based power switches operating at switching frequencies ranging from several hundred kilohertz to beyond 500 kHz. The design enables power transfer between the low-side and high-side domains exceeding 500 mW while maintaining propagation delays in the nanosecond range. Owing to these characteristics, the concept provides a promising foundation for future implementation in SiC- and GaN-based power electronic systems.