Galvanisch isolierte Gate-Treiber MOSFETs schnell und sicher ansteuern

Isolierte Wandler sind in Servern, industriellen Anwendungen sowie Telekom- und Netzwerkausrüstungen weit verbreitet. Dadurch steigt die Zahl von Systemen, die effizient zu versorgen sind; gleichzeitig sollen die Kosten sinken. Welche Isolationstechnologie für Gate-Treiber eignet sich am besten?

von Ashish Gokhale, Isolation Products Manager bei Silicon Labs.

Da die Geräte im Zeitalter des IoT kleiner werden, müssen auch die Stromversorgungen nachziehen. Folglich müssen die Entwickler die Leistungsdichte ihrer Spannungswandler maximieren. Um dies zu erreichen, nutzen sie oft Leistungsschalter mit höherer Performance. Diese basieren nicht nur auf der neuesten Generation schnellerer Silizium-MOSFETs, sondern neuerdings auch auf Galliumnitrid (GaN) oder Siliziumkarbid (SiC). 

Allerdings hat das schnelle Schalten von Stromversorgungen auch seine Nachteile. Es entstehen schnelle und hohe Störspitzen, welche die Bauteile und damit das Gesamtsystem beschädigen könnten. Deswegen muss die Rauschfestigkeit der Treiberkomponenten für diese neuen Leistungsschalter signifikant verbessert werden. Der folgende Beitrag erklärt, wie Entwickler den Herausforderungen der Energieversorgung von morgen begegnen können.

Bild 1 zeigt das typische Blockdiagramm eines Schaltnetzteils. Die eingangsseitige Wechselspannung wird zunächst gleichgerichtet (Full Wave Rectifier). Diese Zwischenkreisspannung wird dann durch die Leistungsschalter (Power Switch) moduliert, angesteuert von isolierten Gate-Treibern. Diese wiederum erhalten das Ansteuersignal vom sekundärseitigen Controller. Der Transformator trennt Eingangs- und Ausgangsseite und transformiert die Spannung über das Windungsverhältnis. Auf der Sekundärseite richten sogenannte Synchron-FETs, die wie Dioden arbeiten, die transformierte Wechselspannung wieder gleich. Auch die Sync-FETs benötigen Gate-Treiber zur Steuerung ihres Schaltens. Strom- und/oder Spannungssensoren überwachen den Ausgang und sorgen für eine Rückkopplung an den Controller zur Feinabstimmung des Modulationsverfahrens auf maximale Performance. 

Performance und CTMI 

Wie oben erwähnt, besteht die Herausforderung für Entwickler darin, die Leistungsdichte zu maximieren. Das lässt sich am besten erreichen, wenn der Systemwirkungsgrad maximiert wird, denn dadurch können die Kühlkörper kleiner ausfallen und die heißen Bauelemente enger zusammenrücken. Um dahin zu gelangen, wird üblicherweise die Schaltfrequenz erhöht. Dadurch ergeben sich folgende Vorteile: 

  • Kürzere Schaltzeiten reduzieren Schaltverluste und damit die Größe der Kühlkörper.
  • Eine höhere Modulationsfrequenz reduziert Größe und Kosten des Ausgangskondensators und des Trafos.
  • Eine höhere Modulationsfrequenz verbessert zudem das Einschwingverhalten und verhindert ein Über- bzw. Unterschwingungen der Spannung. 

Diese Vorteile sind zwar höchst wünschenswert, doch ist damit ein Risiko verbunden. Schnelleres Schalten verursacht höhere Schalttransienten (Bild 2). Schaltzeiten in modernen Systemen, die derzeit mit GaN-Leistungsschaltern entwickelt werden, liegen normalerweis bei ungefähr 5 ns und damit rund zehn- bis zwanzigmal schneller als bei herkömmlichen Systemen. Geht man von einer typischen Zwischenkreisspannung von 600 V aus, so ergibt sich eine Schalttransiente (du/dt) von 120 kV/µs. 

Diese Transienten können dazu führen, dass der Gate-Treiber seine Signalintegrität verliert, es also zu einem »Glitch« kommt. Dadurch kann die Modulation des Systems verlorengehen, oder – was noch schlechter wäre – es könnte ein Störsignal erzeugt werden, das beide Leistungstransistoren gleichzeitig einschaltet. Dadurch entstünde ein elektrischer Kurzschluss (Shoot through). Die hohe Spannungsspitze könnte außerdem den Gate-Treiber veranlassen, in eine permanente Latch-up-Bedingung überzugehen, die ebenfalls gefährliche Zustände zur Folge haben kann.

Gate-Treiber, welche die Leistungsschalter steuern, müssen so ausgelegt sein, dass sie diese Gleichtakt-Störtransienten aushalten, ohne Glitches oder Latch-up-Effekte hervorzurufen. Diese Fähigkeit wird in den meisten Produktdatenblättern als »Common Mode Transient Immunity« (CMTI) angegeben. Im Beispiel Bild 2 sollte die CMTI des Gate-Treibers mindestens 120 kV/µs betragen.