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Isolierte Gate-Treiber

Tore öffnen – aber wie?

30. Mai 2018, 11:00 Uhr   |  Von Sanket Sapre

Tore öffnen – aber wie?
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Gate-Treiber liefern den Treiberstrom für das Gate von MOSFETs oder IGBTs. Wie Gate-Treiber genau verwendet werden, lässt sich anhand ihrer Schlüsselparameter aufzeigen. Eine besondere Rolle kommt der Isolation zu.

Bei einem IGBT oder einem Leistungs-MOSFET bildet das Gate einen nichtlinearen Kondensator. Durch Aufladen des Gate-Kondensators schaltet das Leistungsbauteil ein und ermöglicht, dass Strom zwischen den Drain- und Source-Anschlüssen fließt. Beim Entladen des Gate-Kondensators schaltet das Bauteil ab und kann hohe Spannungen zwischen Drain und Source blockieren.

Die Mindestspannung, bei der der Gate-Kondensator geladen und das Bauteil gerade zu leiten beginnt, wird Schwellenspannung (UTH) genannt. Um einen IGBT/Leistungs-MOSFET als Schalter zu betreiben, sollte zwischen Gate und Source/Emitter eine Spannung angelegt werden, die deutlich größer als UTH ist.

Man stelle sich ein digitales Logiksystem mit einem Mikrocontroller vor, das an einem seiner I/O-Anschlüsse ein PWM-Signal mit einer Spannung von 0 bis 5 V zur Verfügung stellen kann. Das PWM-Signal wäre nicht ausreichend, um ein Leistungsbauteil in einem Leistungssystem komplett einzuschalten, da seine Übersteuerungsspannung (Overdrive Voltage) im Allgemeinen höher ist als die Spannung der Standard-CMOS/TTL-Logik.

Daher ist zwischen Logik-/Steuerschaltkreis und Leistungsbauteil eine Schnittstelle erforderlich. Diese kann so implementiert werden, dass ein mit Logikpegeln ansteuerbarer N-Kanal-MOSFET getrieben wird, der dann einen Leistungs-MOSFET treibt (Bild 1a).

 Leistungs-MOSFET, der mit invertierter Logik getrieben wird
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Bild 1. Leistungs-MOSFET, der mit invertierter Logik getrieben wird, Bild 1a. In Bild 1b kommt ein zusätzlicher P-Kanal-MOSFET Q3 zum Einsatz, der als Pullup-Widerstand verwendet wird.

Bei einem niedrigen Logiksignal, also 0 V, an IO1 wird UGSQ1 < UTHQ1 und der MOSFET Q1 bleibt ausgeschaltet. Somit liegt am Gate des Leistungs-MOSFET Q2 eine positive Spannung an. Der Gate-Kondensator von Q2 (CGQ2) lädt sich über den Pullup-Widerstand R1 auf und die Gate-Spannung wird auf die Versorgungsspannung UDD gezogen. Bei UDD > UTHQ2 schaltet Q2 ein und leitet. Bei einem High-Signal an IO1 schaltet Q1 ein und CGQ2 entlädt sich über Q1. Bei UDSQ1 ~ 0 V wird UGSQ2 < UTHQ2 und Q2 schaltet ab. Ein Problem bei diesem Aufbau ist die Verlustleistung, die im eingeschalteten Zustand von Q1 in R1 entsteht.

Um diese Schwierigkeit zu umgehen, kann der P-Kanal-MOSFET Q3 als Pullup-Widerstand verwendet werden, um komplementär zu Q1 zu arbeiten (Bild 1b). PMOS hat einen niedrigen Durchlasswiderstand und aufgrund seines sehr hohen Widerstands im ausgeschalteten Zustand reduziert sich die Verlustleistung in der Treiberschaltung erheblich.

Zur Steuerung von Flankenraten während des Gate-Übergangs wird ein externer Widerstand zwischen den Drain-Anschluss von Q1 und den Gate-Anschluss von Q2 geschaltet. Ein weiterer Vorteil beim Einsatz eines MOSFET ist die einfache Fertigung auf einem Die gegenüber der Herstellung eines Widerstands. Diese klare Schnittstelle zum Treiben eines Leistungsschalter-Gates kann in Form eines monolithischen IC realisiert werden, der Logik-Spannungspegel akzeptiert und eine hohe Ausgangsleistung liefert.

Der Gate-Treiber-IC verfügt fast immer über zusätzliche interne Schaltkreise für höhere Funktionalität, arbeitet jedoch primär als Leistungsverstärker und Pegelanpasser. Im Folgenden werden die Schlüsselparameter eines Gate-Treibers eingehend beschrieben.

Treiberstärke

Das Bereitstellen einer geeigneten Gate-Spannung erfolgt mithilfe eines Gate-Treibers, der als Pegelanpasser fungiert. Der Gate-Kondensator jedoch kann seine Spannung nicht sofort ändern. Somit hat ein Leistungs-FET oder IGBT ein finites Non-Zero-Schaltintervall.

Beim Schalten kann sich das Bauteil im Hochstrom- und Hochspannungszustand befinden, wobei Verlustleistung in Form von Wärme entsteht. Daher muss der Übergang von einem in einen anderen Zustand schnell erfolgen, damit die Schaltzeit minimiert wird. Um dies zu erreichen, ist ein hoher Transientenstrom erforderlich, der den Gate-Kondensator schnell lädt und entlädt. Bei einem Treiber, der einen höheren Gate-Strom über eine längere Zeitspanne aufnehmen bzw. abgeben kann, ergeben sich kürzere Schaltzeiten und somit geringere Schaltverluste im getriebenen Transistor.

 Einschalten eines MOSFET ohne Gate-Treiber
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Bild 2. Einschalten eines MOSFET ohne Gate-Treiber.

Der Source- und Sink-Strom an den I/O-Pins eines Mikrocontrollers beträgt normalerweise bis zu mehrere zehn Milliampere. Gate-Treiber hingegen können wesentlich höhere Ströme liefern. Bild 2 zeigt ein langes Schaltintervall, wenn ein Leistungs-MOSFET über einen Mikrocontroller-I/O-Anschluss mit seinem maximalen Source-Strom getrieben wird.

Bild 3 zeigt, dass sich die Übergangszeit wesentlich verkürzt, wenn der isolierte Gate-Treiber ADuM4121, der einen weitaus höheren Treiberstrom liefert als ein Mikrocontroller-I/O-Pin, den gleichen Leistungs-MOSFET treibt. In vielen Fällen jedoch kann durch direktes Treiben eines größeren Leistungs-MOSFET/IGBT mit einem Mikrocontroller aufgrund einer möglichen Überstromaufnahme im Digitalschaltkreis die Steuerung überhitzen und Schaden nehmen.

Ein Gate-Treiber mit höherer Treiberfähigkeit ermöglicht schnelles Schalten mit kurzen Anstiegs- und Abfallzeiten von wenigen Nanosekunden. Das senkt die Schaltverluste und ermöglicht die Entwicklung effizienterer Systeme. Aus diesem Grund ist der Treiberstrom ein wichtiges Kriterium bei der Wahl eines Gate-Treibers.

Einschalten eines MOSFET mit Gate-Treiber
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Bild 3. Einschalten eines MOSFET mit Gate-Treiber.

Ebenso wichtig wie die Angabe des Treiberstromes ist der Drain-Source-Durchlasswiderstand RDS(on) eines Gate-Treibers. Im Idealfall sollte der Wert für RDS(on) bei einem komplett eingeschalteten MOSFET 0 Ω betragen. Aufgrund der physikalischen MOSFET-Struktur werden in der Praxis Durchlasswiderstände von wenigen Ohm erreicht. Dabei berücksichtigt ist der gesamte Serienwiderstand im Strompfad zwischen Drain und Source.

RDS(on) ist die echte Basis für die maximale Treiberstärke eines Gate-Treibers, da er den vom Treiber zur Verfügung gestellten Gate-Strom begrenzt. Der RDS(on) der internen Schalter bestimmt den Sink- und Source-Strom, doch werden zusätzlich externe Serienwiderstände verwendet, um den Treiberstrom zu reduzieren. Dies ist nützlich, um die Flanken der Schaltübergänge zu beeinflussen.

RC-Schaltungsmodell für einen Gate-Treiber mit MOSFET-Ausgangsstufe und Leistungsbauteil als Kondensator
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Bild 4. RC-Schaltungsmodell für einen Gate-Treiber mit MOSFET-Ausgangsstufe und Leistungsbauteil als Kondensator.

Wie Bild 4 zeigt, bilden der High-Side-Durchlasswiderstand und der externe Serienwiderstand REXT den Gate-Widerstand im Ladepfad. Der Low-Side-Durchlasswiderstand bildet mit REXT den Gate-Widerstand im Entladepfad.
RDS(on) wirkt sich auch direkt auf die Verlustleistung im Treiber aus. Für einen bestimmten Treiberstrom erlaubt ein RDS(on) mit niedrigerem Wert den Einsatz eines REXT mit höherem Wert.

Da die Verlustleistung sich zwischen REXT und RDS(on) verteilt, bedeutet ein REXT mit höherem Wert, dass mehr Leistung außerhalb des Treibers umgesetzt wird. Um die Systemeffizienz zu steigern und keine höheren Anforderungen an die Wärmeregulierung im Treiber stellen zu müssen, sollte für die gegebene Die-Fläche und die IC-Größe ein RDS(on) mit niedrigerem Widerstandswert eingesetzt werden.

Was ist ein Gate-Treiber?
Ein IGBT/Leistungs-MOSFET ist ein spannungsgesteuerter Leistungshalbleiter für den Einsatz in Stromversorgungen, Motorantrieben und anderen Systemen. Als Gate bezeichnet man den elektrischen isolierten Steueranschluss eines MOSFET. Weitere Anschlüsse sind Source und Drain. Ein IGBT weist neben dem Gate die beiden Anschlüsse Emitter und Kollektor auf. Um einen MOSFET/IGBT zu betreiben, wird zwischen Gate und Source/Emitter eine Spannung angelegt. Spezielle Treiber, sogenannte Gate-Treiber, stellen die erforderliche Spannung zur Verfügung und liefern den Treiberstrom für das Gate.

 

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2. Timing
3. Rauschimmunität

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