Entwicklungspraxis
Die Auswahl eines Gate-Treiber-ICs für MOSFETs
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Auswahl der Kondensatoren
Die Bypass- und Bootstrap-Kondensatoren CBP und CBS sind schematisch in Bild 1 dargestellt. Diese Kondensatoren wählt der Entwickler auf der Basis der MOSFET-Gate-Ladung, der Anwendungsbedingungen und der Anforderungen des Treiber-ICs aus. Während des Einschaltens des unteren MOSFETs liefert der Bypass-Kondensator CBP den Gate-Treiberstrom, was ohne Einbruch von VCC erfolgen sollte. Zusätzlich liefert das Bauteil den Ruhestrom IQCC des Treiber-ICs am VCC-Pin.
In Motorsteuerungen kann das maximale Schalttastverhältnis Dmax sehr hoch sein, vielleicht 95% oder mehr. In anderen Anwendungen kann Dmax auf bis zu 100% ansteigen, wodurch eine verlängerte Einschaltzeit der Schalter erforderlich sein kann. Die Spannungswelligkeit ergibt sich als Ergebnis dieser beiden Einschwingströme nach (14).
Der Bootstrap-Kondensator CBS liefert den Strom an den VB-Pin des Treiber-ICs und wird über die Bootstrap-Diode DBS von VCC ge laden, wenn der untere MOSFET eingeschaltet ist. VB liefert wiederum den Strom für verschiedene Komponenten im System, wie den Leckstrom und die Reverse-Recovery-Ladung der Bootstrap-Diode (Ilk und QDrr), den Ruhestrom in VB des Treiber-ICs (IQBS), den Gate-Leckstrom (IGSS) des MOSFET und die Gate-Ladung (QG) des MOSFET.
Diese verschiedenen Komponenten muss der Bootstrap-Kondensator versorgen, ohne dass sich die Spannung über die Anforderungen der Anwendung hinaus verändert. Die Anwendungsanforderungen können entweder durch die minimale erwünschte Gate-Spannung des MOSFET oder durch den Grenzwert für die Unterspannungsabschaltung UVLO (Undervoltage Lock-out) des Treiber-ICs bestimmt werden.
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Unter Berücksichtigung aller dieser Punkte ergibt sich die Spannungswelligkeit nach (15), wobei sich ton(max) entweder durch das maximale Tastverhältnis oder durch die maximalen On- oder Off-Zeiten des Schalters bestimmt, wenn die Anwendung über mehrere Schaltperioden entweder ein- oder ausgeschaltet sein muss.
IBS ergibt sich als Summe aus IGSS, IQBS und Ilk. Bild 4 zeigt die Spannungswelligkeit der beiden Kondensatoren CBS und CBP in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz und der Kapazität für eine typische Anwendung mit einer Fahrzeugbatterie mit 12 V.
Die Autoren:
Dr. Roy Davis leitet die Abteilung »Advanced Systems Design and Development« in der Automotive-Produktlinie bei Fairchild Semiconductor.
John Grabowski ist der Leitender Applikationsingenieur in der Abteilung »Advanced Systems Design and Development« bei Fairchild Semiconductor.
Literatur:
[1] Laszlo Balogh, »Design and Application Guide for High Speed MOSFET Gate Drive Circuits«, TI Literature No. SLUP169
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