Endstufe für einen Class D Verstärker mit Gallium Nitrid MOSFETs

Abstract

Als Alternative zu Mosfets aus Silizium sind seit einigen Jahren Mosfets aus Gallium Nitrid (GaN) verfügbar, welche in speziellen Applikationen bestechende Vorteile im Vergleich zu den herkömlichen Silizium-Transistoren aufweisen. Besonders attraktiv ist die extrem hohe Schaltgeschwindigkeit von GaN-Mosfets welche besonders bei der Realisierung von Leistungs-Schaltverstärkern (Class-D-Verstärkern) wichtig ist, da so hohe Schaltfrequenzen erreicht werden können was in kompakten LC-Ausgangsfiltern resultiert. Nach einer kurzen Einführung in die Eigenschaften von GaN-Halbleiter bzw. -Mosfets wird eine Class-D Endstufe entworfen und aufgebaut. Dabei wird in Bezug auf die hohe Schaltgeschwindigkeit das Layout besonders ausgeführt und optimiert. Um die Transistoren vor Zerstörung durch Überstrom zu schützen werden entsprechende Schutzschaltungen entwickelt und implementiert. Neuartig dabei ist eine spezielle Schaltung zum Überstromschutz durch Messung und Detektion der Flussspannung am leitenden Transistor deren zweckentsprechende Funktion durch Messungen am realisierten Labormuster belegt wird. Die Dimensionierung des Gate-Treibers, die Wahl der Gate-Widerstände sowie die Optimierung der Totzeiten bzw. der Verriegelungszeiten des Brückenzweiges stellt sich als essentiell für die angestrebten Schaltfrequenzen im MHz-Bereich heraus und wird ebenfalls durch praktische Messungen verifiziert.

As an alternative to silicon Mosfets, Transistors made of gallium nitride have been available for some years. Gallium nitride has some remarkable advantages with respect to silicon when it is used as a semiconductor material. One of its advantages is the high switching speed which is very attractive for switch-mode (Class-D) power amplifiers because very high switching frequencies can be achieved resulting in LC output filters of very compact size. After a brief survey concerning GaN material and GaN-Mosfets, a Class-D amplifier is designed and implemented. For a proper EMI compliance and to ensure that the high switching speed does not disturb surrounding circuitry an optimization of the layout is performed. In order to protect the transistors from destruction by overcurrents a novel protection circuit is implemented, which measures and evaluates the voltage drop across the transistor while it is in on-state mode. The proper function of this concept is demonstrated by experiments and measurements taken from the built laboratory prototype. The design of the gate driver stage, the dimensioning of the gate resistors and furthermore the optimization of signal delay and of the interlock delay of the bridge leg emerged to be essential for achieving switching frequencies in the MHz region which additionally is verified by practical measurements.