Wie man einen Gate-Treiber-IC auswählt

Heutzutage gibt es Transistoren in allen möglichen Formen und Größen, ob sie nun in eine CPU integriert oder als diskrete Komponenten verfügbar sind. Jeder Transistor benötigt einen gewissen Strom, um zwischen den Zuständen EIN und AUS zu wechseln, wodurch Strom durch das Gerät fließen kann. Größere Transistoren, sowohl physisch größer als auch in Bezug auf ihren Stromausstoß, benötigen mehr Energie zum Schalten. Diese Energie kann von einem Gate-Treiber-IC bereitgestellt werden, der darauf spezialisiert ist, eine Pufferung zwischen einem Controller und einem Leistungstransistor zu bieten.

Nicht alle Anwendungen benötigen einen Gate-Treiber-IC. Hochfrequenzanwendungen können einen optimierten Gate-Treiber-Schaltkreis in einem Transceiver oder anderen HF-Komponenten enthalten, um die erforderliche Energie für das Schalten eines Transistorverstärkers bereitzustellen, einschließlich in HF-Leistungsverstärkern. Diese Komponenten sind ein integraler Bestandteil von Energiesystemen, da sie die erforderliche Schaltleistung bereitstellen und gleichzeitig andere kritische Komponenten schützen. Hier erfahren Sie, wie diese Komponenten funktionieren und wie man einen Gate-Treiber-IC auswählt.

Warum einen Gate-Treiber-IC verwenden?

Wie bereits erwähnt, liefert ein Gate-Treiber-IC einen hohen Strom an einen Hochleistungstransistor, wie z.B. einen IGBT oder einen MOSFET, um ihn vollständig in den Leitzustand zu treiben. Diese Komponenten erhalten einen Niedrigleistungseingang von einer anderen Komponente, wie z.B. einem MCU oder einem anderen Controller-IC. Auf diese Weise wirkt der Gate-Treiber-IC wie ein Puffer zwischen dem MCU und dem Transistor. Die typische Anordnung für einen Gate-Treiber-IC in einer Signalkette ist unten dargestellt.

Signalkette für einen Gate-Treiber-IC

Obwohl der grundlegende Zweck eines Gate-Treibers darin besteht, als Verstärker für das Ansteuern eines großen Transistors zu fungieren, gibt es einen tieferen Grund, warum ein spezialisierter Gate-Treiber-IC für das Schalten verwendet wird. Die primären Ziele bei der Verwendung eines spezialisierten Gate-Treiber-ICs sind:

1. Reduzierung der Schaltverluste im Lasttransistor

2. Verringerung der Schaltzeit des Lasttransistors

3. Vollständiges Ansteuern des Transistors in den leitenden/nicht-leitenden Zustand

Ein drittes Ziel, das nicht von allen Gate-Treibern bereitgestellt wird, ist die Bereitstellung einer Isolation zwischen der Last und dem Controller. Dies wird durch einen kleinen internen Transformator im Gate-Treiber bereitgestellt; solche Komponenten werden als isolierte Gate-Treiber bezeichnet.

Alle Transistoren haben eine gewisse nichtlineare Kapazität, d.h., sie verhalten sich wie Varaktoren. Wenn der Lasttransistor geschaltet wird, bleibt eine gewisse Ladung im Gate-Bereich, die den Kanal in seinem aktuellen nicht-leitenden oder leitenden Zustand hält. Sobald ein weiterer Stromimpuls angelegt wird, kann im Transistor hohe Wärme erzeugt werden, wenn das Schaltsignal langsam ist oder bei niedrigem Strom läuft. Das Anlegen des Schaltsignals bei höherem Strom ermöglicht ein schnelleres Umschalten zwischen den Zuständen mit weniger Verlust.

Die oben gezeigte Anordnung und die Notwendigkeit einer vollständigen, schnellen Modulation von Hochleistungstransistoren macht einen Gate-Treiber-IC in jeder Anwendung wichtig, bei der eine Hochleistungslast vollständiges Schalten und Modulation erfordert. Würden wir dies mit einem MCU durchführen, könnte der hohe Stromverbrauch vom MCU dazu führen, dass es überhitzt und ausfällt, daher die Notwendigkeit eines Gate-Treibers. Drei typische Anwendungen sind in schaltenden DC-DC-Wandlern, Leistungsinvertern und Motortreiber-Schaltungen.

DC-DC-Wandlung

Sobald der Gate-Treiber ein Eingangssignal vom Controller erhält, gibt er einen hohen Strom an einen einzelnen Transistor oder mehrere parallel geschaltete Transistoren aus. Beachten Sie, dass eine parallele Anordnung von Transistoren besonders bei IGBTs oder MOSFETs in schaltenden DC-DC-Wandlern mit hohem Stromausgang üblich ist. Dieser Typ von System ist notwendig, wenn ein Array von großen Transistoren mehrere Ampere Strom benötigt, um vollständig in den Leitzustand zu schalten, was typisch für Hochleistungswandler ist.

In Bezug auf die Platzierung in einer Signalkette wird der Gate-Treiber innerhalb einer Rückkopplungsschleife sitzen, wie im Bild unten gezeigt. Ein MCU kann verwendet werden, um einen einfachen Steueralgorithmus zu implementieren, der eine stabile Spannungsausgabe liefert, oder er kann verwendet werden, um die Ausgangsspannung als Reaktion auf Benutzereingaben zu ändern. Im Fall, dass eine hohe Stromregelung vom Wandler gewünscht wird, könnte ein Strommessverstärker in der Rückkopplungsschleife vor dem MCU/PWM-Treiber verwendet werden, da dies eine genaue Strommessung für die Verwendung in einem Steueralgorithmus liefert.

Ein Gate-Treiber-IC in einer Rückkopplungsschleife für DC-DC-Wandlung.

Leistungsinverter

Dies steht im Zusammenhang mit der DC-DC-Wandlung, obwohl wir jetzt kontinuierlich schalten, um eine oszillierende Wellenform zu erzeugen. Isolierte Gate-Treiber werden in dieser Anwendung benötigt, um die DC-Quelle und den Controller von der Ausgangsseite zu isolieren. Auf der Lastseite wird invertierende Logik verwendet, während der Gate-Treiber mit einer niederstromigen Oszillatorwelle versorgt wird.

Motortreiber-Schaltungen

Diese prinzipielle Anwendung beinhaltet einen Transistor, der mit einem PWM-Signal angesteuert wird. In diesem Fall empfängt der Gate-Treiber ein PWM-Signal und gibt eine verstärkte, hochstromige Version des PWM-Signals aus. Dies wird dann an ein Transistorarray gesendet, um einen Motor anzutreiben. Beispiele umfassen das Ansteuern von Schrittmotoren und bürstenbehafteten Motoren. Isolierte Gate-Treiber werden normalerweise in dieser Anwendung verwendet, da sie sich zwischen dem MCU/Controller und dem Motor auf der Ausgangsseite befinden.

Wichtige Spezifikationen von Gate-Treibern

Der Ausgangsstrom ist 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:

• Art des Gate-Treibers. Es gibt vier Arten von Gate-Treibern:

• • High-Side: Diese werden verwendet, um Leistungstransistoren anzusteuern, die mit einer positiven Versorgungsschiene verbunden sind, ohne eine Verbindung zur Masse.

  • Low-Side: Diese werden verwendet, um Transistoren anzusteuern, die mit einer negativen Versorgungsschiene verbunden sind, ohne eine Referenzverbindung.

  • Halbbrücke: Diese Komponenten enthalten Low-Side- und High-Side-Treiberkreise, was sie flexibler macht.

  • Dreiphasig: Diese Gate-Treiber werden in dreiphasigen Systemen verwendet.

• Anstiegs- und Abfallzeit. Dies ist wichtig, um Schaltverluste zu reduzieren. Insbesondere sorgt das Schalten mit schnelleren Anstiegs-/Abfallzeiten für geringere Schaltverluste im Transistor.

• Max. Frequenz. Dies ist in allen drei der oben genannten Anwendungen wichtig.

• Temperaturbewertung. Da diese Komponenten mit hoher Leistung arbeiten, benötigen sie möglicherweise einen Kühlkörper zur Kühlung.

Der FAN73912MX Gate-Treiber-IC von ON Semiconductor ist ein Beispiel für eine Hochleistungskomponente, die in Halbbrückenkonfiguration angeschlossen werden kann. Das unten gezeigte Anwendungsschaltbild veranschaulicht, wie ein Hochleistungs-Gate-Treiber mit einem Controller in einem Hochspannungssystem integriert werden kann.

FAN73912MX Gate-Treiber-IC Anwendungsschaltbild. Aus dem FAN73912MX Datenblatt.

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