Auswahl und Design-Leitfaden für Vollbrücken-MOSFET-Treiber

Erstellt: Februar 11, 2022
Aktualisiert am: Juni 25, 2023

Die Stromversorgung mit stabiler Gleichspannung und Strom ist entscheidend für Spannungsregler/-wandler, Motortreiber und andere Anwendungen wie Beleuchtung und Puls-Erzeugungsschaltungen. Viele Entwickler, die an Systemen mit geringer Leistung arbeiten, könnten versucht sein, eine Topologie für Wandler mit geringer Leistung auf ein System mit höherer Leistung zu skalieren, aber dies wirkt sich nicht zugunsten des Entwicklers aus. Der Versuch, Strom mit einer Standardwandler-/Reglertopologie zu liefern, führt unweigerlich zu Komponentenausfällen, unzureichender Stromversorgung oder einem übergroßen System mit geringer Effizienz.

Für die Bereitstellung von moderater bis hoher Gleichstromleistung ist eine Brückentopologie eine bessere Wahl, insbesondere eine Vollbrückentopologie mit MOSFETs. Die als Schaltelemente verwendeten MOSFETs bieten einen niedrigen Durchlasswiderstand, geringe Leistungsverluste, hohe Durchbruchspannung und hohen Sättigungsstrom im Vergleich zu vergleichbaren IGBTs. Die Verwendung von MOSFETs in dieser Topologie erfordert einen Vollbrücken-MOSFET-Treiber, um die Transistoren mit einem PWM-Signal zu schalten. Diese Komponenten können hochintegriert mit kleinem Platzbedarf für das Treiben von Lasten mit hohem Strom sein und bieten den Entwicklern eine kompakte Option für ihre Produkte.

Verständnis von Vollbrücken-MOSFET-Treibern

Die Standardtopologie, die für die Stromversorgung in kommerziellen Motoren und Wandlern verwendet wird, ist eine von vielen Schalttopologien. Entwickler von Schaltwandlern sind wahrscheinlich mit den Standardtopologien Buck, Boost, Buck-Boost und Flyback vertraut, bei denen ein oder mehrere Schalttransistoren verwendet werden, um die Leistungsabgabe zu regulieren und das Ausgangsspannungsniveau einzustellen. Diese Komponenten sind hochintegriert, da diese Systeme im Allgemeinen nicht für die DC-DC-Wandlung oder Stromversorgung in Motoren mit hoher Leistung verwendet werden.

Um zu verstehen, warum diese Komponenten wichtig sind und wie sie verwendet werden, hilft es, sich die zwei häufigsten Anwendungen von Vollbrücken-MOSFET-Treibern anzusehen: LLC-resonante Wandler und Motorantriebe.

Beispiel: Vollbrücken-LLC-resonanter Wandler

Stattdessen verwenden Hochleistungswandler und Motortreiber eine Halbbrücken- oder Vollbrückenkonfiguration von Schalttransistoren. Treiberkomponenten für Motoren und Wandler sind so konzipiert, dass sie jede Seite der Voll- oder Halbbrückenschaltung mit einem PWM-Signal schalten und so die Stromversorgung zur Last liefern. Vollbrücken-Gatetreiber für leistungsstarke MOSFETs integrieren im Wesentlichen mehrere Gatetreiber-ICs für einen einzelnen Transistor auf einem einzigen Chip. Das Schaltbild unten zeigt einen Vollbrücken-Treiber-IC mit vier MOSFETs als Schaltelement in einem LLC-resonanten Wandler.

In diesem System besteht die Aufgabe des Vollbrückentreibers darin, ein PWM-Signal zu verstärken und dieses zu nutzen, um die vier Transistoren EIN und AUS zu schalten; zu einem gegebenen Zeitpunkt sind nur zwei Transistoren eingeschaltet. In dieser Topologie schaltet der Treiber-IC auf der Primärspulenseite gleichzeitig die linken oberen und die rechten unteren Transistoren EIN, während die anderen Transistoren AUS bleiben. Im nächsten Zyklus wechseln die Zustände aller 4 Transistoren. Schließlich wird auf der Sekundärseite der Spule die Ausgangsspannung mit Dioden gleichgerichtet, um eine stabile Gleichspannung zu liefern.

Wie bei jeder anderen Wandlertopologie kann der Ausgangsstrom erfasst und in den Eingang zurückgeführt werden, der dann genutzt werden kann, um das PWM-Signal anzupassen und eine stabile Regelung zu gewährleisten. Jegliche Steuerfunktionen, einschließlich jeglicher Aktivierungsfunktionalität am Vollbrücken-MOSFET-Treiber-IC, werden in einem MCU oder spezieller Logik implementiert. Eine sehr ähnliche Topologie kann verwendet werden, um eine stabile Leistungsregelung in großen Gleichstrommotoren zu bieten.

In der oben beschriebenen Leistungsumwandlungsanwendung könnten wir einen reinen Halbbrückenwandler implementieren (z.B. Halbbrücken-LLC-Resonanzwandler). Halbbrücken- und Vollbrückentreiber können in Motorsteuerungsschaltungen verwendet werden, wie wir unten sehen werden.

Beispiel: Einzelner Vollbrücken-MOSFET-Treiber vs. Dualer Halbbrücken für Motorantriebe

Zwei gängige Implementierungen des Motorantriebs mit stabiler, einstellbarer Gleichstromleistung sind mit Vollbrücken- und Halbbrückentreibern. Zwei Beispiele mit Halbbrücken- und Vollbrückensteuerung für einen Motor sind in den untenstehenden Diagrammen dargestellt.

In diesem Beispiel müssen duale Halbbrückentreiber sorgfältig ausgewählt werden, damit das Steuersignal an den sekundären Treiber-IC weitergeleitet wird. Bestimmte Komponenten ermöglichen dies standardmäßig, wie z.B. MAX14871 von Maxim Integrated. Wenn dies in der Treiberkomponente nicht aktiviert ist, müssen Sie das PWM-Signal parallel an den sekundären IC senden. Achten Sie auch darauf, die Zustände der MOSFETs in der Halbbrückenkonfiguration zu beachten; die Zustände der oberen und unteren MOSFETs auf jeder Seite sind umgekehrt, um den erforderlichen Stromfluss im Motor zu ermöglichen.

Im Gegensatz dazu zeigt das rechte Panel die gleiche Implementierung, aber mit einem Vollbrücken-MOSFET-Treiber. In diesem Schaltkreis schaltet der Ausgang vom Treiber-IC die MOSFETs paarweise mit einem einzigen PWM-Signal von einem MCU. Diese hochintegrierte Option reduziert die benötigte Komponentenanzahl und kann immer noch mit präzisem Feedback für Geschwindigkeits- oder Leistungssteuerung verwendet werden.

Vollbrücken-Treiber vs. Gate-Treiber

Ein Gate-Treiber-IC erfüllt weitgehend die gleiche Funktion wie ein Vollbrücken-Treiber: Er schaltet einen MOSFET zwischen den Zuständen EIN und AUS. Es gibt einige Unterschiede in Bezug darauf, wie diese Komponenten in einem Design implementiert werden. Während ein Vollbrücken-Treiber speziell für eine feste Konfiguration mit vier MOSFETs ausgelegt ist, kann ein Gate-Treiber einzelne MOSFETs schalten, ohne dass eine Synchronisation mit einem anderen Gate-Treiber erforderlich ist. Beachten Sie, dass Sie eine Vollbrücken-MOSFET-Treiber-Schaltung mit vier MOSFET-Gate-Treibern erstellen könnten. Welche Sie wählen sollten, hängt von der Versorgungsspannung ab, die Sie benötigen, um die MOSFETs zu schalten, und dem Grad der Integration, der in der Komponente benötigt wird.

Auswahl von Vollbrücken-MOSFET-Treiberkomponenten

Der Ausgangsstrom ist wahrscheinlich die wichtigste Spezifikation, die Sie betrachten müssen, und diese Spezifikation sollte mit den Spezifikationen Ihrer Transistoren verglichen werden. Hier sind einige andere wichtige Spezifikationen, die Sie beim Auswählen eines Gate-Treiber-ICs untersuchen sollten:

Integration. Einige Vollbrücken-MOSFET-Treiber enthalten die MOSFETs auf dem Chip. Diese Komponenten werden direkt auf dem Chip Leistung verbrauchen und haben eine bestimmte Sättigungsstrombewertung.
Versorgungsspannung. Die Spezifikation der Versorgungsspannung bestimmt, in welchem Umfang die MOSFETs zwischen den Zuständen EIN und AUS geschaltet werden können.
Dual-Halbbrücken-Option. Einige Vollbrücken-Gate-Treiber können als zwei unabhängige Halbbrücken-Treiber verwendet werden (siehe die Anwendung in der Motorsteuerung oben).
PWM-Frequenzbereich und Tastverhältnis. Diese Parameter sind wichtig in jedem Schaltwandler oder Treiber. Insbesondere wird das Tastverhältnis die durchschnittlich gelieferte Leistung bestimmen, während die Frequenz den Gewinn und die Impedanz in der Lastkomponente beeinflussen kann, insbesondere bei induktiven Lasten, die in der Motorsteuerung und bei Leistungsprodukten zu finden sind.
Temperaturbewertung. Diese Komponenten könnten bei hoher Leistung arbeiten, oder sie könnten in der Nähe anderer Komponenten betrieben werden, die hohe Leistung verbrauchen. Berücksichtigen Sie die Temperaturbewertung und jede Kühlstrategie, die Sie in Ihrem System implementieren müssen. Wenn der Treiber integrierte MOSFETs enthält, benötigen Sie wahrscheinlich ein gewisses Maß an thermischer Kühlung in Ihrem Design, um zu verhindern, dass die Komponente überhitzt und ausfällt.

Stellen Sie sicher, dass Sie Ihre Treiberkomponente, externe MOSFETs (falls nicht auf dem Treiberchip integriert), PWM-Generator und alle Komponenten, die in der Rückkopplungsschleife verwendet werden, sorgfältig abgleichen.

Ein Vergleich von zwei Vollbrücken-MOSFET-Treibern

Der L6203 Vollbrücken-MOSFET-Gate-Treiber von STMicroelectronics zeigt die Art der Integration, die in diesen Komponenten involviert ist und wie sie hohe Leistung liefern. Diese Komponente ist für das Ansteuern kleiner Motoren konzipiert und beinhaltet eine integrierte H-Brücken-MOSFET-Anordnung mit bis zu 48 V Ausgangsspannung bei mäßig hohem Strom (5 A Spitze, 4 A RMS). Der L6203 beinhaltet eine interne Spannungsreferenz für präzise Regelung, thermische Abschaltungsschaltung und einen Enable-Pin von einem externen Controller. Ein Sense-Widerstand kann angeschlossen werden, um Rückmeldung für die Motorsteuerung zu liefern. Die Eingangs- und Enable-Pins können auch moduliert werden, um einphasiges oder zweiphasiges Chopping für einen externen Motor zu bieten.

Ein vergleichbares Bauteil ist der TLE7181EMXUMA1 von Infineon. Aus dem untenstehenden Blockdiagramm sehen wir, dass diese Komponente für Dual-Halbbrücken- oder Vollbrücken-Antrieb mit 2 oder 4 MOSFETs konfiguriert werden kann. Diese externen MOSFETs werden für Hochstrom-DC-Motorantriebe in 12 V Stromnetzen (bis zu 34 V Versorgungsspannung) bei hohem Strom verwendet. Um Zuverlässigkeit zu gewährleisten und Schäden an nachgeschalteten Komponenten zu verhindern, gibt es eine umfassende Schutzschaltung, die Unter-/Überspannung, Überstrom, Übertemperatur und Kurzschlussschutz bietet. Zusätzlich gibt es einen integrierten Regler, um eine stabile Ausgabe zu gewährleisten.

Diese beiden Komponenten haben unterschiedliche Integrationsniveaus und On-Chip-Funktionen, aber sie sind gute Beispiele dafür, was Sie von typischen Vollbrücken-MOSFET-Treiberkomponenten erwarten können. Der L6203 integriert alles auf dem Die und bietet eine Lösung mit kleinem Platzbedarf, aber die Leistungsabgabe ist durch die On-Die-MOSFETs begrenzt. Die Wärmeabfuhr erfolgt direkt in der Komponente, daher könnten Kühlmaßnahmen erforderlich sein, um eine Überhitzung zu verhindern.

Im Gegensatz dazu kann der TLE7181EMXUMA1 mit einer Reihe von Leistungen verwendet werden, die durch den Zug vom Motor, die externen MOSFET-Stromgrenzen und die mit den externen MOSFETs verwendete Stromversorgung begrenzt werden. Insgesamt nimmt der Treiber plus sein externes Brückenschaltkreis mehr Platz ein, aber Sie können mehr Leistung erzielen.

Andere Komponenten für Motorantriebe und Stromversorgungssysteme

Die oben gezeigten Komponenten sind hochintegrierte Motorantriebskomponenten, aber es gibt immer andere Komponenten, die Sie benötigen, um eine stabile Stromversorgung für einen Motor oder Stromwandler bereitzustellen. Komponenten zur Steuerung/Aktivierung des Antriebskreises, Bereitstellung des PWM-Signals, Erfassung und Regulierung der Leistungsabgabe und Bereitstellung von Filterung, um sicherzustellen, dass saubere, störungsfreie Energie an die Last im System geliefert wird.

Wenn Sie nach Vollbrücken-MOSFET-Treibern mit einem beliebigen Integrationsniveau suchen, versuchen Sie, die erweiterten Such- und Filterfunktionen in Octopart zu verwenden. Sie haben Zugang zu einer umfangreichen Suchmaschine mit Distributordaten und Teilespezifikationen, die alle in einer benutzerfreundlichen Schnittstelle zugänglich sind. Werfen Sie einen Blick auf unsere Seite mit integrierten Stromversorgungsmanagement-Schaltkreisen, um die Komponenten zu finden, die Sie für Stromumwandlung, -konditionierung und -management benötigen.

Bleiben Sie mit unseren neuesten Artikeln auf dem Laufenden, indem Sie sich für unseren Newsletter anmelden.