Designpraxis DC/DC-Wandler als Gate-Treiber

Für Gate-Applikationen sind gewisse Anforderungen zu erfüllen.
Für Gate-Applikationen sind gewisse Anforderungen zu erfüllen.

DC/DC-Wandler für Gate-Treiber-Applikationen müssen gewisse Anforderungen erfüllen, um einen zuverlässigen Betrieb der Endanwendung zu garantieren.

Wechselrichter und Stromrichter hoher Leistung nutzen in der Regel Brückenschaltungen, um Wechselspannungen mit Netzfrequenz oder bidirektionale PWM-Treibersignale für Motoren, Transformatoren oder andere Lasten zu erzeugen. Diese Brückenschaltungen werden üblicherweise mit IGBTs oder MOSFETs – letztere teils auch in SiC- oder GaN-Ausführung – bestückt, die hier als High-Side-Schalter dienen. Die Emitter- bzw. Source-Anschlüsse dieser Bauelemente fungieren dabei als Schaltknoten und werden mit hohen Spannungen und Frequenzen konfrontiert. Das zur Gate-Ansteuerung verwendete PWM-Signal und die zugehörigen Stromversorgungsleitungen für den Treiber nutzen die Emitter- bzw. Source-Elektrode als Referenz und müssen deshalb galvanisch von der Masse isoliert werden. Als weitere Anforderungen kommt hinzu, dass die Treiber-Schaltung und ihre Stromversorgungsleitungen immun gegen die steilen Spannungsspitzen des Schaltknotens sein und eine sehr geringe Koppelkapazität aufweisen sollten.

 In vielen Fällen verlangt die Brückenschaltung, dass die Ansteuerschaltung eine Isolation nach bestimmten Sicherheitsvorschriften aufweist. Die Isolationsbarriere der Treiber-Schaltung muss deshalb robust sein und darf während der projektierten Nutzungsdauer durch Teilentladungs-Effekte nicht signifikant beeinträchtigt werden. Die Gleichspannungswandler der MGJ-Serie von Murata wurden entwickelt, um optimale Treiberspannungen und Isolationseigenschaften für diese High-Side-Gate-Treiber-Schaltungen zu bieten. Die positive Versorgungsspannung der Gate-Treiber-Schaltung sollte so hoch gewählt werden, dass sie eine vollständige Sättigung/Anreicherung des Leistungsschalters ermöglicht, ohne jedoch die absolute Maximalspannung für dessen Gate zu überschreiten. Um unterschiedlichen Bauelementen gerecht zu werden, gibt es in der MGJ-Serie Optionen für +15 V oder +20 V. Zum Beispiel sind IGBTs und GaN-MOSFETs bereits bei einer Treiber-Spannung von 15 V vollständig eingeschaltet, während typische SiC-MOSFETs eine näher an 20 V liegende Treiber-Spannung benötigen, um den kompletten Anreicherungszustand zu erreichen. Was die negative Versorgungsspannung betrifft, können die im Aus-Zustand am Gate liegenden 0 V für alle Bauelemente als ausreichend angesehen werden. Allerdings bewirkt eine negative Spannung – typisch zwischen –5 und –10 V – ein besonders zügiges Abschalten, gesteuert von einem Gate-Widerstand. Die Einschaltschwelle der Gate-Spannung beträgt bei einem IGBT wenige Volt (typisch 5 V), während sie bei SiC- und GaN-MOSFETs deutlich geringer ist und nur etwas mehr als 1 V betragen kann. Als weiterer Aspekt kommt hinzu, dass jegliche Induktivität L zwischen dem Schalter und der Treiber-Referenz (Bild 1) zum Entstehen einer Gate-Emitter-Spannung mit umgekehrtem Vorzeichen führt, wenn der Schalter sperrt.

Obwohl diese Induktivität möglicherweise nur gering ist, muss beachtet werden, dass bereits 5 nH eine Spannung von 5 V erzeugen, wenn sich der Strom mit einer Rate (di/dt) von 1000 A/µs ändert, was keineswegs ungewöhnlich ist. Schon eine Leitung von wenigen Millimetern Länge besitzt eine Induktivität von 5 nH. Mit einer hinreichenden negativen Treiber-Spannung lässt sich unter diesen Umständen sicherstellen, dass die Gate-Emitter-Abschaltspannung stets kleiner oder gleich 0 V ist. Die MGJ-Serie stellt hier je nach Variante –5 V, –8,7 V, –10 V oder –15 V zur Verfügung. Eine negative Gate-Treiber-Spannung hilft ebenfalls, die Auswirkungen der zwischen Kollektor und Gate liegenden Miller-Kapazität zu beherrschen. Diese injiziert einen Strom in die Gate-Treiber-Schaltung, wenn der Schalter sperrt. Wenn beispielsweise ein IGBT aufgrund eines entsprechenden Treibersignals sperrt, so steigt seine Kollektor-Gate-Spannung und ein Strom der Höhe Cm ∙ dUce/dt fließt durch die Miller-Kapazität in die Gate-Emitter-Kapazität Cge und durch den Gate-Widerstand in die Treiber-Schaltung (Bild 2). Die infolgedessen am Gate entstehende Spannung Uge kann bereits ausreichen, um den IGBT wieder einzuschalten, was zu einem Shoot-Through-Strom führen und Schäden verursachen kann. Dieser Effekt lässt sich vermeiden, wenn man das Gate mit einer negativen Spannung ansteuert. Das beschriebene Phänomen tritt auch bei allen Arten von MOSFETs auf.