Gate Drive Transformatoren und Schaltkreise

A Gate-Transformator ist für die Übertragung von elektrischen Rechteckimpulsen mit schnellen Anstiegs- und Abfallzeiten zur Aktivierung oder Deaktivierung eines Schaltgeräts optimiert.

Obwohl verschiedene Floating-Channel-MOSFET/IGBT-Treiber-ICs verfügbar sind, ist eine transformatorgekoppelte Gate-Ansteuerung aus vielen Gründen immer noch die bessere Option für Hochleistungsanwendungen. Zum Beispiel kann ein einziger Transformator aufgrund der vielen galvanisch getrennten Ausgangswicklungen alle Schalter in der Brücke ansteuern und erleichtert auch die Ansteuerung paralleler Schalter (MOSFETs/IGBTs). Er hat außerdem eine negative Gate-Vorspannung, wenn das Gerät ausgeschaltet ist, was die dv/dt-Anfälligkeit verringert (eine übermäßige dv/dt-Rate kann zu Fehlschaltungen oder dauerhaften Schäden an einem Schaltgerät führen). Darüber hinaus weist eine ordnungsgemäß konzipierte transformatorgekoppelte Lösung vernachlässigbare Verzögerungen auf und kann über größere Potenzialunterschiede hinweg betrieben werden.

Torantriebstransformatoren

A Gate-Transformator ist ein Transformator, der für die Übertragung von elektrischen Rechteckimpulsen mit schnellen Anstiegs- und Abfallzeiten zum Aktivieren oder Deaktivieren eines Schaltgeräts optimiert ist. Er kann niedrige Leistungen, aber hohe Spitzenströme verarbeiten, um das Gate eines Leistungsschalters zu steuern. Die Leistungswerte reichen von µW bis zu mehreren KW.

Der Gate-Treiber-Transformator sorgt sowohl für die Stromversorgung als auch für die Pegelverschiebung des Schaltsignals zum Leistungshalbleiter und macht damit eine separate erdfreie Stromversorgung überflüssig. Er kann zur direkten Ansteuerung der Gates des Leistungsschalters (MOSFET/IGBT) oder zur Isolierung des Steuersignals verwendet werden, das dann einem Gate-Treiber-IC zugeführt wird. Darüber hinaus bietet er auch eine Impedanzanpassung.

Beim Betrieb mit hohen Schaltfrequenzen (> 100 KHz) muss bei der Entwicklung und Konstruktion von Gate-Treiber-Transformatoren mit hoher Isolation sorgfältig darauf geachtet werden, dass die negativen Auswirkungen von parasitären Komponenten (Streuinduktivität und verteilte Kapazität) vermieden werden.

Ein Gate-Drive-Transformator kann auch als Impulsüberträger, Trigger-Transformator, Breitbandtransformator, oder Signaltransformator. Die Unterscheidung beruht hauptsächlich auf dem eigentlichen Zweck des Transformators: Wird der Transformator zur direkten Ansteuerung eines Leistungsteils verwendet, so wird er als Gate-Transformator; Wenn es nur zur Übertragung von Rechteckspannungssignalen/Impulsen an ein Halbleiter-Gate verwendet wird, bezeichnet man es als Impulsüberträger. Im Allgemeinen überträgt ein Impulstransformator jedoch einen Strom-/Spannungsimpuls von der Primär-/Erzeugungsseite des Stromkreises auf die Sekundär-/Lastseite des Stromkreises, wobei seine Form und andere Eigenschaften erhalten bleiben. Wenn der Transformatorimpuls eine Aktion oder ein Ereignis auslöst, könnte man ihn als Trigger-Transformator.

Transformatoren haben mindestens zwei Wicklungen (primär und sekundär), die eine Isolierung ermöglichen, eine wichtige Eigenschaft. Das Windungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärseite ermöglicht auch eine Spannungsskalierung, die jedoch normalerweise nicht erforderlich ist.

Grundlegende Schaltung

Die Grundschaltung einer transformatorischen isolierten Gate-Ansteuerung ist relativ groß. Neben dem Transformator besteht sie auch aus den zugehörigen Rücksetzkomponenten, wie dem Abblockkondensator C, dem Primärwiderstand R, dem Gate-Widerstand R_g, Back-to-Back-Zenerdioden, usw.

Wenn ein Rechteckimpuls an die Primärklemmen angelegt wird, wird er an der Sekundärseite als Rechteckwelle übertragen, oder das übertragene Signal ist eine Ableitung der Eingangsspannung.

Der Abblockkondensator C ist mit der Primärwicklung des Transformators in Reihe geschaltet, um die Rücksetzspannung (negative Vorspannung) für die Magnetisierungsinduktivität bereitzustellen. Ohne den Kondensator entstünde eine vom Tastverhältnis abhängige Gleichspannung an der Wicklung (DC-Offset oder “flux walking”) und der Transformator würde in die Sättigung gehen. Dies ist eine sehr einfache Schaltung; die Amplitude der Ausgangsspannung nimmt mit steigendem Tastverhältnis ab, daher begrenzt diese Schaltung das Tastverhältnis auf weniger als 50%. Dieser Ansatz funktioniert gut in Schaltnetzteil (SMPS) Schaltungen, bei denen die Frequenz hoch und das Tastverhältnis klein ist.

Spannung des Koppelkondensators:

Die tatsächliche Gate-Treiberspannung, V_c, ändert sich mit dem Tastverhältnis. Darüber hinaus regen plötzliche Änderungen des Tastverhältnisses den L-C-Resonanztank an, der durch L_m & C. Diese L-C-Resonanz kann durch einen kleinen Widerstand (R) gedämpft werden.

Das Gate wird zwischen -V_c und V_DRV-V_c Pegel anstelle der ursprünglichen Ausgangsspannungspegel des Treibers, 0 V und V_DRV

Back-to-Back-Zenerdioden werden verwendet, um die Gate-Spannung des Bauelements zu begrenzen und so Überspannungen zu vermeiden, die durch die Streuinduktivität des ungekoppelten Transformators T entstehen. Ein Gate-Widerstand Rg wird verwendet, um den transienten Gate-Stoßstrom zu vermeiden.

Die Kernsättigung begrenzt das angelegte Spannungs-Zeit-Produkt an den Wicklungen. Die Transformatorenkonstruktion muss das maximale Spannungs-Zeit-Produkt unter allen Betriebsbedingungen vorhersehen, was auch Worst-Case-Transienten mit maximalem Tastverhältnis und maximaler Eingangsspannung einschließen muss.

Produkt mit maximaler Voltzeit:

T = Schaltdauer
F = Betriebsfrequenz
V_PEAK = Spitzenansteuerspannung
D = Einschaltdauer (Duty Cycle)

Der Gate-Treiber-Transformator wird mit einer variablen Pulsbreite in Abhängigkeit vom PWM-Tastverhältnis und je nach Schaltungskonfiguration mit konstanter oder variabler Amplitude betrieben.

Es gibt zwei Arten von transformatorgekoppelten Gate-Drive-Schaltungen: single-ended und doppelendig.

Sowohl bei ein- als auch bei zweiseitigen Schaltungen werden die Gate-Treiber-Transformatoren sowohl im ersten als auch im dritten Quadranten der B-H-Ebene betrieben.

Einseitige transformatorgekoppelte Gate-Antriebe

Single-Ended-Gate-Drive-Schaltungen werden mit einem Single-Output-PWM-Controller verwendet, um einen High-Side-Schalter anzusteuern, und der Gate-Drive-Transformator wird mit variabler Pulsbreite und variabler Amplitude betrieben.

Diese Schaltung ist auf ein Tastverhältnis von 50% begrenzt. Für Anwendungen mit großem Tastverhältnis wie z. B. Abwärtswandler, Da die Gate-Ansteuerspannung nicht ausreichend ist, muss auf der Sekundärseite des Transformators eine Gleichstrom-Wiederherstellungsschaltung (Kondensator und Diode) hinzugefügt werden. Die Spannung des Koppelkondensators nimmt mit steigendem Tastverhältnis zu und verringert auch die tatsächliche Gate-Ansteuerspannung (beim Einschalten) und erhöht die negative Vorspannung (während der Aus-Zeit). Durch Hinzufügen eines Kondensators und einer Diode in die Schaltung kann die ursprüngliche Gate-Ansteuerungsamplitude auf der Sekundärseite des Transformators wiederhergestellt werden.

Doppelendige transformatorgekoppelte Gate-Antriebe

Double-Ended-Gate-Drive-Schaltungen werden mit einem PWM-Controller mit zwei Ausgängen verwendet, um 2 oder 4 Schalter in Hochleistungsanwendungen zu steuern, z. B. in Halbbrücken- und Vollbrückenwandler und der Gate-Treiber-Transformator wird mit einer variablen Impulsbreite und konstanter Amplitude angesteuert.

OUT_A und OUT_B entgegengesetzter Polarität und symmetrisch sind, wenn OUT_A ist eingeschaltet, positive Spannung liegt an, wenn OUT_B eingeschaltet ist, liegt an der Primärwicklung des Gate-Transformators eine Spannung entgegengesetzter Polarität an. Die Mittelung der Spannung an der Primärwicklung für zwei aufeinander folgende Schaltperioden ergibt Null Volt. Daher ist keine Wechselstromkopplung erforderlich (Koppelkondensator und Dämpfungswiderstand werden auf der Primärseite des Stromkreises nicht benötigt).

Schlussfolgerung

Transformatorgekoppelte Gate-Ansteuerungsschaltungen bieten viele Vorteile, insbesondere bei Anwendungen mit hoher Leistung. Als Nächstes werden wir uns die gewünschten Impulsantwortverhalten eines Gate-Treiber-Transformators und die Parameter, die sie beeinflussen.