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Galvanisch isolierte Gate-Treiber

MOSFETs schnell und sicher ansteuern

11. Juli 2017, 9:10 Uhr | Ralf Higgelke

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Varianten isolierter Gate-Treiber

Bei isolierten Leistungswandlern müssen die Gate-Treiber isoliert sein, um die galvanische Trennung von der Primär- zur Sekundärseite zu gewährleisten. Gate-Treiber liefern im Allgemeinen einen Schaltstrom von bis 4 A an das Gate des Leistungsschalters. Je höher der Schaltstrom, desto höher sind die Schaltraten für eine gegebene Gate-Kapazität des Schalters. Bild 3 zeigt ein einfaches Schaltbild eines isolierten Gate-Treibers, der mit dem Gate eines 400-V-Leistungsschalters verbunden ist.

Sperrschichtisolierte Treiber

Sperrschichtisolierte Treiber besitzen einen potenzialfreien High-Side-Treiber, in dem die Hochspannungsschiene untergebracht ist. Die höchsten Nennwerte der Isolationsspannung liegen bei 600 V. Im Normalfall sind diese Produkte wirtschaftlich, doch liegt ihre Toleranz gegenüber Transienten niedriger und die Gefahr eines Latch-up-Effekts ist groß, der einen bleibenden Schaden oder eine Sicherheitsgefahr verursacht. Die typischen CMTI-Spezifikationen liegen im Bereich von 10 kV/µs bei der Signalintegrität sowie von 50 kV/µs bei der Latch-up-Immunität.

Optisch gekoppelte Treiber

Optogekoppelte Gate-Treiber sind tatsächlich galvanisch isoliert (im Gegensatz zu einem Sperrschicht-isolierten Treiber), und sie sind schon eine ganze Zeit auf dem Markt erhältlich. Typische optisch gekoppelte Treiber weisen CMTI-Werte im Bereich 10 kV/µs bis 20 kV/µs auf, während die jüngsten Produktangebote mit einem CMTI von 50 kV/µs (MIN) mit einer wesentlich besseren Performance beeindrucken.

Kapazitiv und induktiv gekoppelte Treiber

Kapazitiv oder induktiv gekoppelte Lösungen, liegen in ihrer Performance auf einem beträchtlich höheren Niveau. Immer das Endziel vor Augen – die schnellstmöglichen Schaltraten zu erzielen und dabei die Sicherheit beizubehalten – liegen ihre größten Vorteile darin, dass sie extrem hohe Störtransienten ohne Signalverlust und Latch-up aushalten können. Einige neuere induktiv gekoppelte Gate-Treiber haben eine CMTI bei 50 kV/µs (MIN), was indes für die effizientesten Systeme immer noch nicht ausreicht. Die neuesten kapazitiv gekoppelten Lösungen (Bild 4) bestechen durch eine CMTI von 200 kV/µs (MIN) bei der Signalintegrität sowie 400 kV/µs (MAX) bei der Latch-up-Immunität. Die neuesten Bausteine der Serie Si827x von Silicon Labs entsprechen den Störfestigkeitsansprüchen von GaN- und SiC-Transistoren mit zusätzlichen Sicherheitsmargen (120 kV/µs erforderlich, 200 kV/µs zur Verfügung).

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Kapazitiv gekoppelte isolierte Treiber bieten noch weitere Vorteile. Sie sind schnell (geringe Latenz), und der Kanal-zu-Kanal- und der Teil-zu-Teil-Abgleich ist den anderen Lösungen überlegen. Die Laufzeitverzögerung (Latenz) kann zehnmal besser sein als bei manchen optisch gekoppelten Gate-Treibern, während der Teil-zu-Teil-Abgleich zehnmal besser sein kann oder sogar noch mehr. Diese Konsistenz gibt dem Entwickler noch einen entscheidenden Vorteil an die Hand, denn er kann das Gesamt-Modulationsverfahren des Systems auf maximale Effizienz und Sicherheit feinabstimmen, ohne sich mit den Spezifikationen herumschlagen zu müssen.

Zudem arbeiten diese Treiber bei niedrigerer Spannung (2,5 V im Vergleich zu 5 V) sowie einen erweiterten Betriebstemperaturbereich (–40 °C bis +125 °C gegenüber –40 °C bis nur +105 °C für die optogekoppelten Bauteile). Darüber hinaus bieten sie noch weitere fortschrittliche Features wie Eingangs-Rauschfilter, asynchrone Abschaltmöglichkeit und multiple Konfigurationen wie Halbbrücke oder dual unabhängige Treiber in einem einzigen Gehäuse.

Produktsicherheit und Langzeitzuverlässigkeit sind ebenfalls wichtige Anforderungen an derartige Applikationen, und es ist unumgänglich, auch diese zu berücksichtigen. Auch hier ist die Nennlebensdauer der neuen Treiber mit 60 Jahren Betriebslebensdauer bei Hochvoltbedingungen länger als jede andere vergleichbare Lösung. Die Tabelle fasst die Unterschiede der konkurrierenden Treiber zusammen.

	Kapazitiv gekoppelte Lösung (Gate-Treiber Si827x)	Gekoppelte Lösung	Induktiv gekoppelte Lösung
CMTI, Signalintegrität (max.)	200 kV/μs	50 kV/μs	50 kV/μs
CMTI, Latch-up-Immunität (max.)	400 kV/μs	nicht angegeben	100 kV/μs
VDDI-Bereich	2,5 V bis 5,5 V	optischer Eingang	3,0 V bis 5,5 V
EN-Pin, sicher ab Werk	ja	nein	nein
Verschleiß & Alterung?	keine	ja	keine
Betriebstemperaturbereich	–40 °C bis +125 °C	–40 °C bis +105 °C	–40 °C bis +125 °C
VDDA/B-Bereich	4,2 V bis 30 V	15 V bis 30 V	4,5 V bis 18 V
Spitzenstrom (max.)	4 A	1 A	4 A
Laufzeitverzögerung (max.)	60 ns	110 ns	60 ns
PWD (max.)	5 ns	40 ns	5 ns
Teil-zu-Teil-Abgleich oder PDD (max.)	5 ns	–50 ns bis +50 ns	12 ns
EMI-Emissionen	20 dB geringer als führende induktiv gekoppelte Lösung	gering	hoch