Entwicklungspraxis
Die Auswahl eines Gate-Treiber-ICs für MOSFETs
Bei Anwendungen mit hoher Leistung steuern üblicherweise Treiber-ICs die MOSFET-Brücken. Die Auswahl der Bausteine erfolgt oft anhand des maximalen Gate-Stroms des MOSFETs, der für die erwünschte Schaltgeschwindigkeit erforderlich ist. Wie wählt man nun ein Gate-Treiber-IC richtig aus?
Bei einer MOSFET-Halbbrücke bestimmen der gesamte Gate-Widerstand – bestehend aus dem Ausgangswiderstand des Treiberverstärkers, dem externen Gate-Widerstand und dem internen MOSFET-Gate-Widerstand – und die Kapazität die Anstiegs- und Abfallzeiten der Gate-Spannung uGS(t).
Aus dem vorgegebenen maximalen Quellen- und Senken-Nennstrom des Treiber-ICs und den Informationen aus dem MOSFET-Datenblatt lassen sich die Einschalt- und Ausschaltzeiten bestimmen. Die Schaltung in Bild 1 zeigt eine H-Brücke und einen Treiber mit separaten Widerstandswerten für die Einstellung der Einschalt- und Ausschaltzeiten des MOSFETs.
Die Minimalwerte für die externen Gate-Widerstände lassen sich mit den Gleichungen (1) und (2) ermitteln, wobei sicherzustellen ist, dass der Nennstrom des Treiber-ICs nicht überschritten wird. Dabei steht U0 für die Spannungsquelle des Gate-Stroms und UGS(th) für die Gate-Schwellenspannung des Power-MOSFETs.
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Der gesamte Gate-Widerstand setzt sich aus mehreren Komponenten zusammen, wobei RG(On) = RSrc + RG(ext) + RG(int) und RG(Off) = RSnk + RG(ext) + RG(int) ist.
Dabei entspricht RG(int) dem internen Gate-Widerstand des MOSFETs, RSrc und RSnk stehen jeweils für die Ausgangswiderstände des Treiber-ICs als Quelle und Senke und RG(ext) entspricht dem vom Schaltungsentwickler hinzugefügten externen Gate-Widerstand, der für das Einund Ausschalten unterschiedliche Werte annehmen kann (Bild 1).
Zum Beispiel kann der Treiberbaustein »FAN7080« von Fairchild einen Strom ISnk ≤ 600 mA aufnehmen und einen Strom ISrc ≤ 300 mA abgegeben. Um einen speziellen MOSFET anzusteuern, muss das Datenblatt des Herstellers hinzugezogen werden.
Das Datenblatt des »FDP8441« beispielsweise liefert die Werte UGS(th) = 2,8 V und RG(int) = 1,1 Ω. Bei U0 = 13,8 V sind Gate-Widerstände von ungefähr RG(on) ≥ 37 Ω und RG(off) ≥ 18 Ω notwendig, um einen zu hohen Strom im Treiber-IC zu vermeiden.
Zu den weiteren bestimmenden Faktoren für die Auswahl des externen Gate-Widerstands gehören auch die Verluste im Leistungsbauteil und im Gate-Treiber-IC. Nachfolgend werden die Signale aus Bild 2 genutzt, um das idealisierte Schaltverhalten des MOSFET zu veranschaulichen.
Wie erwartet, führen Änderungen im Gate-Widerstand nicht nur zu anderen Schaltzeiten, sondern auch zu anderen Verlusten im Treiber-IC. Um die Berechnungen zu vereinfachen, wird nachfolgend der Reverse-Recovery-Effekt der Body-Diode vernachlässigt.
Schaltverhalten bestimmen
Für die Bestimmung des exakten Schaltverhaltens sind eigentlich eine detaillierte Schaltungsanalyse und ein Test erforderlich. Für eine frühzeitige Bauteilauswahl und die notwendigen Kompromisse sind aber lineare Näherungswerte des Signalverlaufs und eine Abschätzung des Verhaltens der Ersatzschaltung ausreichend. Es lassen sich verschiedene einfache Beziehungen aufstellen, die gute Näherungswerte für die Schaltzeiten und Verluste im Leistungs-MOSFET und dem Gate-Treiber-IC liefern, und zwar auf der Basis der Parameter im Datenblatt, der Gate-Widerstände, der Schaltfrequenz und der Speisespannung.
Entsprechend der in Bild 2 links dargestellten Einschalt-Charakteristik lässt sich das Einschalten in mehrere Segmente einteilen. Zu den Segmenten, in denen hohe Verluste im MOSFET auftreten, gehören tri und tf = tfv1 + tfv2. Während tri steigt die Gate-Spannung von der Schwellenspannung zur Miller-Plateauspannung an, während der Drain-Strom auf Volllast I0 steigt. Die Dauer dieses Segmentes hängt von den Komponenten der Ersatzschaltung und dem durchschnittlichen Gate-Strom während dieser Zeit ab. Von besonderem Interesse in diesem Segment ist die Abhängigkeit von tri von RG(On) (Gleichungen (3) und (4)):
Im nächsten Einschalt-Segment tf fällt die Drain-Source-Spannung von der Batteriespannung UBatt in zwei Teilsegmenten auf UDS(on) ≈ 0 V ab: Im ersten Teilsegment ist der MOSFET noch in der aktiven Region, während er sich im zweiten in der ohmschen Region befindet. Eine konservative Schätzung der Gesamtdauer von tf ist möglich über (5) und (6).
Entsprechend Bild 2 links und der Betrachtung des Produkts von Drain-Strom und Drain-Source-Spannung in Form eines Dreiecksignals, lässt sich die Verlustleistung während tri und tf konservativ schätzen mit (7), wobei T für die Schaltperiode steht.
Mit einer ähnlichen Prozedur, nun aber in Bezug auf Bild 2 rechts, lassen sich die Abschaltverluste als eine Funktion des gesamten Gate-Abschaltwiderstands RG(Off) ausdrücken (8), wobei trv= trv1 + trv2 (Gleichungen (10) bis (13)) der gesamten Anstiegszeit der Drain-Source-Spannung und tfi der Abfallzeit des Drain-Stroms entspricht.
Bild 3 links zeigt die Abhängigkeit der Verluste vom externen Gate-Widerstand.
Inzwischen wird auch die Abhängigkeit der Verluste des Gate-Treiber-ICs vom Gate-Widerstand deutlich. Obwohl diese Verluste, was den Absolutwert angeht, sehr viel kleiner sind und im Hinblick auf die Effizienz des Gesamtsystems kaum ins Gewicht fallen, spielen sie doch bei der Auswahl des Gate-Treiber-ICs und des geeigneten Kühlkörpers eine wichtige Rolle.
Die Treiberverluste lassen sich näherungsweise mit (14) bestimmen, wobei fsw für die Schaltfrequenz und QG für die Gate-Ladung steht. Diese Verluste sind grafisch in Bild 3 rechts dargestellt.
Beim Einsatz des FAN7080 liegt die maximal zulässige Verlustleistung beispielsweise bei 650 mW. Mit den hier verwendeten Annahmen ergibt sich eine maximale Schaltfrequenz von ungefähr 250 kHz, bei externen Onund Off-Gate-Widerständen von 10 Ω beziehungsweise 5 Ω.
- Die Auswahl eines Gate-Treiber-ICs für MOSFETs
- Auswahl der Kondensatoren
