Einführung in Gate-Treiber für die Leistungselektronik

Ein Gate-Treiber ist ein Leistungsverstärker, der einen Eingang mit geringer Leistung von einem Controller-IC erhält und die entsprechende Hochstrom-Gate-Ansteuerung für ein Leistungsgerät erzeugt. Da die Anforderungen an die Leistungselektronik weiter steigen, werden das Design und die Leistung der Gate-Treiber-Schaltung immer wichtiger.

Leistungshalbleiter sind das Herzstück der modernen Leistungselektronik Systeme. In diesen Systemen werden viele Halbleiterbauelemente mit Gattern wie gewöhnliche Transistoren, FETs, BJTs, MOSFETs, IGBTs und andere als Schaltelemente in Schaltnetzteile (SMPS), Universelle Stromversorgungen (USV) und Motorantriebe. Die moderne Technologieentwicklung in der Leistungselektronik folgte im Allgemeinen der Entwicklung von Leistungshalbleitergeräten.

In der Leistungselektronik steigen die Anforderungen an den Leistungspegel und die Schaltfrequenz. Der Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) und der Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) sind zwei der beliebtesten und effizientesten Halbleiterbauelemente für Schaltnetzteile mit mittlerer bis hoher Leistung in den meisten Anwendungen.

Das Gate eines MOSFET oder IGBT ist der elektrisch isolierte Steueranschluss für jedes Gerät. Die anderen Anschlüsse dieser Bauelemente sind Source und Drain oder Emitter und Kollektor. Um einen MOSFET/IGBT zu betreiben, muss in der Regel eine Spannung an das Gate angelegt werden, die relativ zum Source/Emitter des Bauelements ist. Um diese Schaltvorrichtungen in den leitenden Zustand zu versetzen, muss der Gate-Anschluss in Bezug auf die Source/Emitter positiv sein.

Das Schaltverhalten des Leistungsbauelements wird durch die parasitären Kapazitäten zwischen den drei Anschlüssen beeinflusst, d. h. Gate-to-Source (C_gs), Gate-to-Drain (C_gd) und Drain-to-Source (C_ds), die in der Regel nichtlinear und eine Funktion der Vorspannung sind. Das Aufladen des Gate-Kondensators schaltet das Leistungsbauelement ein und ermöglicht einen Stromfluss zwischen den Drain- und Source-Anschlüssen, während das Entladen das Bauelement ausschaltet und eine große Spannung über den Drain- und Source-Anschlüssen blockiert wird.

Die Gate-Spannung eines Leistungsbauelements erhöht sich erst, wenn seine Gate-Eingangskapazität aufgeladen ist, und das Leistungsbauelement schaltet sich erst ein, wenn seine Gate-Spannung die Gate-Schwellenspannung (V_th). Die V_th eines Leistungsbauelements ist definiert als die minimale Gate-Vorspannung, die erforderlich ist, um einen Leitungspfad zwischen dem Source- und dem Drain-Bereich herzustellen. Für den Betrieb eines Leistungsbauelements als Schalter ist eine Spannung erforderlich, die ausreichend größer als V_th zwischen Gate und Source-/Emitter-Anschluss angelegt werden.

Gate-Treiber für die Leistungselektronik

Bei Hochleistungsanwendungen kann das Gate eines Leistungsschalters niemals durch den Ausgang eines Logik-ICs (PWM-Controller) angesteuert werden. Aufgrund der geringen Strombelastbarkeit dieser Logikausgänge würde das Aufladen der Gate-Kapazität übermäßig viel Zeit in Anspruch nehmen, wahrscheinlich länger als die Dauer einer Schaltperiode. Daher müssen spezielle Treiber verwendet werden, um eine Spannung anzulegen und das Gate des Leistungsbauteils mit Strom zu versorgen. Dabei kann es sich um eine Treiberschaltung handeln, die mit speziellen ICs, diskreten Transistoren oder Transformatoren realisiert werden kann. Sie kann auch in einen PWM-Controller-IC integriert werden.

A Gate-Treiber ist ein Leistungsverstärker, der einen niedrigen Leistungseingang von einem Controller-IC akzeptiert und die entsprechende Hochstrom-Gate-Ansteuerung für ein Leistungsgerät erzeugt. Er wird eingesetzt, wenn ein PWM-Controller nicht den erforderlichen Ausgangsstrom für die Ansteuerung der Gate-Kapazität des zugehörigen Leistungsbauteils liefern kann.

Die Gate-Treiberschaltung ist ein integraler Bestandteil von Leistungselektroniksystemen. Gate-Treiber bilden eine wichtige Schnittstelle zwischen der Hochleistungselektronik und der Steuerschaltung und werden zur Ansteuerung von Leistungshalbleitergeräten verwendet. Die Leistung von DC-DC-Wandlern oder SMPS hängt hauptsächlich vom Verhalten der Gate-Treiberschaltungen ab. Das bedeutet, wenn die Gate-Treiberschaltung das Gate eines Leistungsbauteils nicht richtig ansteuert, entspricht die Leistung des DC-DC-Wandlers nicht den Designanforderungen. Daher ist der Entwurf der Gate-Treiberschaltung bei der Entwicklung von leistungselektronischen Wandlern von entscheidender Bedeutung.

Arten von Gate-Treibern

Low-Side-Treiber - Dient zur Ansteuerung von massebezogenen Schaltern (Low-Side-Schalter).

High-Side-Low-Side-Treiber - Dient zur Ansteuerung von zwei in Brückenschaltung angeschlossenen Schaltern (sowohl potentialfreie als auch massebezogene Schalter).

Gate-Treiber-Isolierung

Gate-Ansteuerungsschaltungen für Wechselrichter und Umrichter erfordern häufig eine elektrische Isolierung sowohl aus funktionalen als auch aus Sicherheitsgründen. Die Isolierung wird von Regulierungs- und Sicherheitszertifizierungsbehörden vorgeschrieben, um Stromschläge zu vermeiden. Außerdem schützt sie die Niederspannungselektronik vor Schäden aufgrund von Fehlern auf der Hochspannungsseite und vor menschlichem Versagen auf der Steuerseite. Die elektrische Trennung zwischen verschiedenen Funktionskreisen in einem System verhindert einen direkten Leitungsweg zwischen ihnen und ermöglicht es, dass die einzelnen Schaltkreise unterschiedliche Massepotenziale aufweisen. Signale und Leistung können dennoch zwischen den isolierten Schaltkreisen mit Hilfe von induktiven, kapazitiven oder optischen Methoden übertragen werden.

Viele Anwendungen von Leistungsbauelementen (z. B. Wandler, bei denen eine hohe Leistungsdichte und ein hoher Wirkungsgrad erforderlich sind) erfordern eine isolierte Gate-Treiberschaltung. Bei Stromrichtertopologien wie Halbbrücken-, Vollbrücken-, Buck-, Zwei-Schalter-Vorwärts- und Active-Clamp-Vorwärts-Stromrichtern gibt es zum Beispiel hohe und Low-Side-Schalter, da Low-Side-Treiber nicht direkt für die Ansteuerung der oberen Leistungsbauelemente verwendet werden können. Die oberen Leistungsbauelemente erfordern einen isolierten Gate-Treiber, da die Source und der Emitter der oberen Bauelemente nicht auf dem Massepotential liegen (floating).

In einer einfachen Brückentopologie mit einer Treiberschaltung, wie sie hier gezeigt wird, kann die Quellklemme von Schalter 1 überall zwischen Masse und DC-Bus-Potenzial liegen. Daher sind für die Ansteuerung der High-Side-Schalter zwei Dinge erforderlich:

1. Schwimmende Versorgung - um alle Schaltkreise zu versorgen, die mit diesem Mittelwertpotential verbunden sind.
2. Level Shifter - zur Übermittlung des PWM-Steuersignals an die Treiberschaltung für die Heizung.

Isolierungstechniken

Grundsätzlich gibt es zwei gängige Techniken, um isolierte Gate-Treiber zu implementieren: magnetisch (mit Gate-Treiber-Transformatoren) und optisch (unter Verwendung eines Optokopplers). In den nächsten Artikeln werden wir uns mit der magnetischen Isolationstechnik befassen, insbesondere mit den Eigenschaften und Konstruktionsanforderungen für Gate-Transformatoren.