Auswahl und Verwendung von Treibern für Leistungskomponenten

Jede diskrete Schaltkomponente benötigt einen Treiber, unabhängig davon, ob es sich um einen diskreten Silizium-Metalloxid-Feldeffekttransistor (MOSFET), einen Siliziumkarbid-MOSFET, einen Isolierschicht-Bipolartransistor (IGBT) oder ein Modul handelt. Der Treiber ist die Schnittstellenkomponente oder „Brücke“ zwischen dem Niederspannungs- und Niederstromausgang des Systemprozessors, der in einem kontrollierten, unbedenklichen Szenario arbeitet, und der rauen Welt des Schaltgeräts mit ihren strengen Anforderungen an Strom, Spannung und Timing.

Die Auswahl des geeigneten Treibers für die Schaltkomponente ist für Entwickler aufgrund der Eigenheiten der Leistungskomponente und der unvermeidlichen Parasiten in der Schaltung und im Layout eine Herausforderung. Dabei müssen die Parameter des Schaltertyps (Silizium (Si) oder Siliziumkarbid (SiC)) und der Anwendung sorgfältig berücksichtigt werden. Die Hersteller von Stromversorgungskomponenten schlagen oft geeignete Treiber vor und bieten diese auch an, aber einige treiberbezogene Faktoren müssen an die Besonderheiten der Anwendung angepasst werden.

Während es in den meisten Fällen ein logisches Grundverfahren gibt, das zu befolgen ist, werden einige Einstellungen, wie z. B. der Wert des Gate-Drive-Widerstands, durch eine iterative Analyse bestimmt und müssen auch durch praktische Tests und Auswertungen überprüft werden. Diese Schritte können einen ohnehin schon komplexen Prozess noch komplizierter machen und einen Entwurf ohne klare Anleitung verlangsamen.

In diesem Artikel wird kurz auf die Rolle des Gate-Treibers eingegangen. Anschließend wird ein Leitfaden für die Auswahl des Treibers und die erforderlichen Schritte zur Sicherstellung der Kompatibilität mit der gewählten Leistungsschaltkomponente gegeben. Zur Veranschaulichung der wichtigsten Punkte werden beispielhafte Bauelemente mit geringerer und höherer Leistungsaufnahme von Infineon Technologies AG sowie die dazugehörigen Evaluierungsboards und Kits vorgestellt.

Die Rolle des Gate-Treibers

Vereinfacht ausgedrückt ist ein Gate-Treiber ein Leistungsverstärker, der von einem Controller-IC (in der Regel ein Prozessor) ein niedriges Eingangssignal erhält und die entsprechende Hochstrom-Gate-Ansteuerung mit der erforderlichen Spannung zum Ein- und Ausschalten des Leistungsbauteils erzeugt. Hinter dieser einfachen Definition verbirgt sich eine komplexe Welt aus Spannung, Strom, Anstiegsgeschwindigkeiten, Störgrößen, Transienten und Schutzmaßnahmen sowie anderen Aspekten. Der Treiber muss auf die Systemanforderungen abgestimmt sein und den Leistungsschalter präzise ansteuern, ohne dass es zu Überschwingungen oder Klingeln kommt, auch wenn Parasiten und Transienten bei höheren Schaltgeschwindigkeiten zunehmen.

Die Treiber können in verschiedenen Konfigurationen verwendet werden. Zu den gängigsten gehören der einzelne Low-Side-Treiber, der einzelne High-Side-Treiber und der doppelte High-Side-/Low-Side-Treiber.

Im ersten Fall ist das Leistungsbauteil (Schalter) zwischen Last und Erdung angeschlossen, während die Last zwischen der Versorgungsschiene und dem Schalter liegt (Abbildung 1). (Man beachte, dass diese Erdung eher als „Masse“ bezeichnet werden sollte, da es sich nicht um eine tatsächliche Erdung handelt, sondern um einen gemeinsamen Schaltungspunkt, der den 0-Volt-Punkt definiert).

Abbildung 1: In der Low-Side-Konfiguration befinden sich Treiber und Schalter zwischen der Last und der Schaltungserdung/Masse. (Bildquelle: Infineon Technologies AG)

Bei der komplementären High-Side-Anordnung ist der Schalter direkt mit der Stromschiene verbunden, während sich die Last zwischen dem Schalter und Erde/Masse befindet (Abbildung 2).

Abbildung 2: Bei der High-Side-Konfiguration ist die Position des Schalters in Bezug auf die Last und die Stromschiene umgekehrt. (Bildquelle: Infineon Technologies AG)

Eine weitere weit verbreitete Topologie ist die High-Side/Low-Side-Paarung, die zur Ansteuerung von zwei in einer Brückenanordnung verbundenen Schaltern verwendet wird (Abbildung 3).

Abbildung 3: Bei der kombinierten High-Side/Low-Side-Paarung werden zwei Schalter abwechselnd angesteuert, wobei die Last zwischen ihnen liegt. (Bildquelle: Infineon Technologies AG)

Wie sieht es mit der Isolierung aus?

Die High-Side/Low-Side-Anordnung erfordert das Hinzufügen von zwei Schaltkreisfunktionen, die in Abbildung 4 dargestellt sind:

Abbildung 4: Die High-Side/Low-Side-Anordnung erfordert ebenfalls eine potentialfreie Stromversorgung für die High-Side und einen Pegelwandler für das Steuersignal. (Bildquelle: Talema Group)

Der obere (High-Side-) Treiber und die Schaltkomponente sind „potentialfrei“, d. h. ohne Massebezug, was bei vielen Gate-Treiber/Leistungsschalter-Anordnungen zu einer weiteren Anforderung führt: der Notwendigkeit einer galvanischen (ohmschen) Isolierung zwischen der Treiberfunktion und dem angesteuerten Schalter.

Isolierung bedeutet, dass es keinen elektrischen Pfad für den Stromfluss zwischen den beiden Seiten der Isolationsbarriere gibt, aber die Signalinformationen müssen trotzdem durch sie hindurchgehen. Diese Isolierung kann durch Optokoppler, Übertrager oder Kondensatoren erreicht werden.

Die galvanische Trennung zwischen verschiedenen Funktionskreisen in einem System verhindert einen direkten Leitungsweg zwischen ihnen, so dass die einzelnen Schaltkreise unterschiedliche Massepotenziale aufweisen können. Die Barriere muss der vollen Schienenspannung (plus einer Sicherheitsmarge) standhalten, die von einigen zehn bis zu Tausenden von Volt reichen kann. Die meisten Isolatoren sind so konstruiert, dass sie die Anforderungen von mehreren Tausend Volt problemlos erfüllen.

Während High-Side-Gate-Treiber je nach spezifischer Topologie eine Isolierung benötigen, um einen ordnungsgemäßen Betrieb zu gewährleisten, ist bei Gate-Treibern für Leistungsumrichter und -wandler häufig eine galvanische Trennung aus Sicherheitsgründen erforderlich, die nichts mit ihrem „Erdungs“-Status zu tun hat. Die Isolierung wird von Regulierungs- und Sicherheitszertifizierungsbehörden vorgeschrieben, um Stromschläge zu verhindern, indem sichergestellt wird, dass Hochspannung den Benutzer nicht erreichen kann. Außerdem schützt es die Niederspannungselektronik vor Schäden, die durch Fehler im Hochspannungskreis und menschliches Versagen auf der Steuerseite verursacht werden.

Viele Konfigurationen von Leistungsbauelementen erfordern eine isolierte Gate-Treiberschaltung. So gibt es beispielsweise in Stromrichtertopologien wie Halbbrücke, Vollbrücke, Abwärtswandlung, Two-Switch-Forward und Active-Clamp-Forward High-Side- und Low-Side-Schalter, da die Treiber auf der Low-Seite nicht verwendet werden können, um die obere Leistungskomponente direkt zu steuern.

Die oberen Leistungsbauelemente benötigen einen isolierten Gate-Treiber und „potentialfreie“ Signale, da sie keine Verbindung zum Massepotenzial haben; andernfalls würden sie ihren komplementären Treiber und Leistungsschalter kurzschließen. Aufgrund dieser Anforderung und dank des technologischen Fortschritts sind Gate-Treiber erhältlich, die auch über eine Isolierung verfügen, so dass keine separaten Isolierkomponenten mehr erforderlich sind. Dies wiederum vereinfacht die Auslegung von Hochspannungsschaltungen und erleichtert die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften.

Feinabstimmung der Beziehung zwischen Treiber und Schaltkomponente

Gate-Treiber-ICs müssen die hohen Schaltgeschwindigkeiten von SiC-MOSFETs unterstützen, die eine Anstiegsrate von 50 Kilovolt pro Mikrosekunde (kV/µs) oder mehr erreichen und schneller als 100 Kilohertz (kHz) schalten können. Si-Bauteile werden mit einer typischen Spannung von 12 Volt betrieben, um sich einzuschalten, und verwenden 0 Volt, um sich auszuschalten.

Im Gegensatz zu Si-Bauelementen benötigen SiC-MOSFETs normalerweise +15 bis +20 Volt zum Einschalten und -5 bis 0 Volt zum Ausschalten. Daher benötigen sie möglicherweise einen Treiber-IC mit zwei Eingängen, einen für die Einschaltspannung und einen für die Ausschaltspannung. SiC-MOSFETs weisen nur dann einen niedrigen Durchlasswiderstand auf, wenn sie mit einer empfohlenen Gate-Source-Spannung (V_gs) von 18 bis 20 Volt angesteuert werden, was deutlich über dem Wert von 10 bis 15 Volt für V_gs liegt, der zur Ansteuerung von Si-MOSFETs oder IGBTs erforderlich ist.

Ein weiterer Unterschied zwischen Si und SiC besteht darin, dass die Umkehrerholungsladung (Q_rr) der „freilaufenden“ intrinsischen Substratdiode des SiC-Bauelements recht niedrig ist. Sie benötigen eine Hochstrom-Gate-Ansteuerung, um schnell die volle erforderliche Gate-Ladung (Q_g) zu liefern.

Die Herstellung der richtigen Beziehung zwischen dem Gate-Treiber und dem Gate der Schaltkomponente ist entscheidend. Ein wesentlicher Schritt ist dabei die Bestimmung des optimalen Werts des externen Gate-Widerstands, bezeichnet als R_G,ext, zwischen dem Treiber und dem Schaltbauteil (Abbildung 5). Es gibt auch einen internen Gate-Widerstand im Leistungsbauelement, der als R_G,int bezeichnet wird und in Reihe mit dem externen Widerstand liegt, aber der Benutzer hat keine Kontrolle über diesen Wert, obwohl er dennoch wichtig ist.

Abbildung 5: Es ist wichtig, den richtigen Wert für den externen Gate-Widerstand zwischen dem Treiber und dem Leistungsbauteil zu bestimmen, um die Leistung des Paares zu optimieren. (Bildquelle: Infineon Technologies AG)

Die Bestimmung dieses Widerstandswerts ist ein vierstufiger Prozess, der in der Regel Iterationen beinhaltet, da einige Aspekte der Leistung des Paares nach der Analyse und Modellierung „auf dem Prüfstand“ bewertet werden müssen. Kurz gesagt, das allgemeine Verfahren ist wie folgt:

Schritt 1: Bestimmen Sie den Spitzenstrom (I_g) anhand der Werte im Datenblatt und wählen Sie einen geeigneten Gate-Treiber.

Schritt 2: Berechnen Sie den Wert des externen Gate-Widerstands (R_G,ext) auf der Grundlage des Gate-Spannungshubs der Anwendung.

Schritt 3: Berechnen Sie die erwartete Verlustleistung (P_D) des Gate-Treiber-ICs und des externen Gate-Widerstands.

Schritt 4: Überprüfen Sie die Berechnungen auf dem Prüfstand, um festzustellen, ob der Treiber leistungsfähig genug ist, um den Transistor anzusteuern, und ob die Verlustleistung innerhalb der zulässigen Grenzen liegt:

1. Prüfen Sie, ob es keine parasitären Einschaltereignisse gibt, die im schlimmsten Fall durch die dv/dt-Transienten ausgelöst werden.
2. Messen Sie die Temperatur des Gate-Treiber-ICs im stationären Betrieb.
3. Berechnen Sie die Spitzenleistung des Widerstands und vergleichen Sie sie mit der Nennleistung des Widerstands für einen Impuls.

Diese Messungen werden bestätigen, ob die Annahmen und Berechnungen zu einem sicheren Schaltverhalten (kein Schwingen, korrektes Timing) des SiC-MOSFET führen. Ist dies nicht der Fall, muss der Entwickler die Schritte 1 bis 4 mit einem angepassten Wert für den externen Gate-Widerstand wiederholen.

Wie bei fast allen technischen Entscheidungen gibt es auch bei der Auswahl eines Bauteilwertes Kompromisse zwischen mehreren Leistungsfaktoren. Wenn zum Beispiel Schwingungen auftreten, kann eine Änderung des Werts des Gate-Widerstands diese beseitigen. Eine Erhöhung des Wertes verringert die Anstiegsgeschwindigkeit von dv/dt, da sich die Transistorgeschwindigkeit verlangsamt. Ein niedrigerer Widerstandswert führt zu einem schnelleren Schalten des SiC-Bauelements und damit zu höheren dv/dt-Transienten.

Die allgemeinen Auswirkungen einer Erhöhung oder Verringerung des Wertes des externen Gate-Widerstands auf die kritische Gate-Treiberleistung sind in Abbildung 6 dargestellt.

Abbildung 6: Das Erhöhen oder Verringern des Werts des externen Gate-Widerstands wirkt sich auf viele Leistungsmerkmale aus, so dass die Entwickler die Kompromisse abwägen müssen. (Bildquelle: Infineon Technologies AG)

Keine Notwendigkeit für Kompromisse

Kompromisse sind zwar Teil des Systemdesigns, aber die richtigen Komponenten können diese Kompromisse erheblich reduzieren. So bieten die Gate-Treiber-ICs EiceDRIVER von Infineon eine hohe Leistungseffizienz, Störfestigkeit und Robustheit. Darüber hinaus sind sie mit Funktionen wie schnellem Kurzschlussschutz, Entsättigungsfehlererkennung und -schutz (DESAT), aktiver Miller-Klemme, Anstiegsratensteuerung, Durchschlagschutz, Fehler-, Abschalt- und Überstromschutz sowie digitaler I²C-Konfigurierbarkeit einfach zu verwenden.

Die Treiber sind sowohl für Siliziumbauteile als auch für Leistungskomponenten mit großer Bandlücke gut geeignet. Sie reichen von nicht isolierten Low-Side-Treibern mit geringerer Leistung und niedriger Spannung bis hin zu isolierten Kilovolt/Kilowatt(kV/kW)-Komponenten. Es sind zudem Zwei- und Mehrkanaltreiber erhältlich, die für manche Situationen eine gute Option darstellen.

Ein Low-Side-Gate-Treiber für 25 Volt

Der 1ED44176N01FXUMA1 ist ein Low-Side-Gate-Treiber für 25 Volt in einem DS-O8-Gehäuse (Abbildung 7). Dieser Niederspannungs-Leistungs-MOSFET- und IGBT-Treiber mit nicht-invertierendem Gate verfügt über proprietäre latch-immune CMOS-Technologien, die seinen robusten monolithischen Aufbau ermöglichen. Der Logikeingang ist mit standardmäßigen 3,3-, 5- und 15-Volt-CMOS- oder LSTTL-Ausgängen kompatibel und umfasst Schmitt-getriggerte Eingänge zur Minimierung falscher Signalauslösungen, während der Ausgangstreiber über eine Strompufferstufe verfügt. Er kann Komponenten mit 50 Ampere (A) und 650 Volt bei bis zu 50 kHz antreiben und ist für netzbetriebene Haushaltsgeräte und Infrastrukturen wie Wärmepumpen gedacht.

Abbildung 7: Der 1ED44176N01FXUMA1 ist ein Miniatur-Gate-Treiber im DS-08-Gehäuse für Anwendungen mit geringerer Spannung/Leistung und verfügt über proprietäre CMOS-Technologien mit Latch-Immunität. (Bildquelle: Infineon Technologies AG)

Zu den wichtigsten Spezifikationen des 1ED44176N01FXUMA1 gehört ein typischer Ausgangs-Kurzschluss-Impulsstrom (<10 µsec Impuls) von 0,8 A bei 0 Volt als Quelle, während der Ausgangs-Kurzschluss-Impulsstrom als Senke 1,75 A bei 15 Volt beträgt. Zu den kritischen dynamischen Spezifikationen gehören eine Ein- und Ausschaltzeit von 50 Nanosekunden (ns) (typisch) und 95 ns (maximal), während die Einschalt-Anstiegszeit 50/80 ns (typisch/maximal) und die Ausschalt-Abfallzeit 25/35 ns (typisch/maximal) beträgt.

Der Anschluss des 1ED44176N01F ist relativ einfach und verfügt über einen Pin für die Überstromschutzerkennung (OCP) und einen FAULT-Statusausgang (Abbildung 8). Desweiteren steht auch eine spezieller Pin zur Programmierung der Fehlerlöschzeit zur Verfügung. Der EN/FLT-Pin muss auf High-Pegel gezogen werden, um den normalen Betrieb zu gewährleisten, während ein Ziehen auf Low-Pegel den Treiber deaktiviert. Eine interne Schaltung am V_CC-Pin bietet einen Unterspannungsschutz, der den Ausgang so lange auf Low hält, bis die V_CC-Versorgungsspannung wieder im erforderlichen Betriebsbereich liegt. Getrennte Masseanschlüsse für Logik- und Stromversorgung verbessern die Störfestigkeit.

Abbildung 8: Mit nur acht Pins ist der Gate-Treiber 1ED44176N01F relativ einfach an den Prozessor und die Leistungskomponente anzuschließen. (Bildquellen: Infineon Technologies AG)

Obwohl der Anschluss relativ einfach ist, können Benutzer dieses Gate-Treibers und des zugehörigen Leistungsbauteils von der Evaluierungsplatine EVAL1ED44176N01FTOBO1 profitieren (Abbildung 9). Mit diesem Board können Entwickler den strommessenden Shunt-Widerstand (R_CS), den Widerstand und den Kondensator (RC-Filter) für OCP und Kurzschlussschutz sowie den Kondensator für die Fehlerlöschzeit auswählen und evaluieren.

Abbildung 9: Das Evaluierungsboard EVAL1ED44176N01FTOBO1 ermöglicht Entwicklern die Einstellung und Messung wichtiger Gate-Treiber-Betriebspunkte mit einer zugehörigen Schaltkomponente. (Bildquellen: Infineon Technologies AG)

SiC-MOSFET-Gate-Treiber für hohe Spannungen

Der 1EDI3031ASXUMA1, ein isolierter, einkanaliger SiC-MOSFET-Gate-Treiber für 12 A mit einem Nennwert von 5700 V_eff (Abbildung 10), ist auf ein viel höheres Spannungsniveau ausgelegt als der AC-Line-Gate-Treiber für Haushaltsgeräte und seine Leistungsbauteile. Bei diesem Treiber handelt es sich um einen Hochspannungsbaustein für Kfz-Motorantriebe über 5 kW, der SiC-MOSFETs mit 400, 600 und 1200 Volt unterstützt.

Abbildung 10: Der EDI3031AS ist ein isoliertes, einkanaliges 12A-SiC-MOSFET-Gate, das für Kfz-Motorantriebe über 5 kW entwickelt wurde. (Bildquellen: Infineon Technologies AG)

Der Baustein nutzt Infineons kernlose Übertragertechnologie (Coreless Transformer, CT), um eine galvanische Trennung zu realisieren (Abbildung 11).

Abbildung 11: Für die galvanische Trennung wurde ein eigener kernloser Übertrager verwendet, der in der Abbildung (links) und im Aufbau (rechts) dargestellt ist. (Bildquellen: Infineon Technologies AG)

Diese Technologie hat mehrere Merkmale. Sie erlaubt große Spannungsschwankungen von ±2300 Volt oder mehr, bietet Immunität gegen negative und positive Transienten und zeichnet sich durch geringe Verlustleistung aus. Darüber hinaus verfügt sie über eine extrem robuste, vom Gleichtaktrauschen unabhängige Signalübertragung und unterstützt eine Gleichtakt-Transit-Immunität (CMTI) von bis zu 300 Volt/ns. Die enge Anpassung an die Laufzeitverzögerung sorgt außerdem für Toleranz und Robustheit ohne alters-, strom- und temperaturbedingte Schwankungen.

Der Treiber 1EDI3031ASXUMA1 unterstützt SiC-MOSFETs für Spannungen von bis zu 1200 Volt, hat einen Rail-zu-Rail-Ausgang mit 12 A Spitzenstrom und eine typische Laufzeitverzögerung von 60 ns. Er hat einen CMTI von bis zu 150 V/ns bei 1000 Volt, und seine integrierte aktive Miller-Klemme von 10 A unterstützt unipolares Schalten.

Dieser spezielle Treiber zielt auf Traktionswechselrichter für Elektrofahrzeuge (EVs), Hybrid-EVs (HEVs) und Hilfswechselrichter für beide. Aus diesem Grund wurden mehrere Sicherheitsfunktionen integriert, um die Einstufung nach ASIL B(D) sowie die Produktvalidierung nach AEC-Q100 zu unterstützen. Zu diesen Funktionen gehören redundante DESAT und OCP, Gate- und Ausgangsstufenüberwachung, Durchschlagschutz, Überwachung der Primär- und Sekundärversorgung und interne Überwachung. Die 8 kV Basisisolierung entspricht der VDE V 0884-11:2017-01 und ist UL 1577 anerkannt.

Der Treiber 1EDI3031ASXUMA1 ist aufgrund seines Leistungsniveaus und der Erfüllung der Anforderungen der Automobilindustrie weit mehr als eine leistungsfähige, aber „dumme“ Komponente. Zusätzlich zu all seinen Sicherheitsmerkmalen implementiert es ein Zustandsdiagramm, um die ordnungsgemäße Funktionalität zu gewährleisten (Abbildung 12). Seine „intrusiven“ Diagnosefunktionen ermöglichen es, im Falle eines Systemausfalls in einen „sicheren Zustand“ zu wechseln.

Abbildung 12: Die Ausgereiftheit und die Selbstüberprüfung der Integrität des Gate-Treibers 1EDI3031ASXUMA1 werden durch das Zustandsdiagramm seiner Betriebsmodi deutlich illustriert. (Bildquelle: Infineon Technologies AG)

Entwickler, die mit dem 1EDI3031ASXUMA1 arbeiten, können mit dem Evaluierungsboard 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 für die EiceDRIVER-Gate-Treiber-Familie EDI302xAS/1EDI303xAS schnell loslegen (Abbildung 13).

Abbildung 13: Das Evaluierungsboard 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 für die EiceDRIVER-Gate-Treiber-Familie EDI302xAS/1EDI303xAS ermöglicht Entwicklern die Evaluierung dieses Hochleistungstreibers mit einem zugehörigen Leistungsbauteil. (Bildquellen: Infineon Technologies AG)

Diese vielseitige Evaluierungsplattform verfügt über eine Halbbrückenkonfiguration, die in Abbildung 14 dargestellt ist. Sie ermöglicht die Montage entweder des HybridPACK-DSC-IGBT-Moduls oder einer diskreten Leistungskomponente PG-TO247-3.

Abbildung 14: Das Evaluierungsboard 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 implementiert eine isolierte Halbbrückenanordnung und kann mit Modulen oder diskreten Bauteilen verwendet werden. (Bildquellen: Infineon Technologies AG)

Das ausführliche Datenblatt für diese Evaluierungsplatine enthält unter anderem den Schaltplan, die Stückliste, Details zur Anbringung der verschiedenen Anschlüsse, Konfigurationsdetails, Betriebsabläufe und LED-Anzeigen.

Fazit

Gate-Treiber sind die kritische Schnittstelle zwischen einem Digitalprozessor-Ausgang mit niedrigem Ausgangspegel und den High-Level-Hochleistungs-Hochstrom-Anforderungen des Gates eines Leistungsbauelements wie einem Si- oder SiC-MOSFET. Die korrekte Anpassung des Treibers an die Eigenschaften und Anforderungen des Leistungsbauteils ist entscheidend für einen erfolgreichen, zuverlässigen Schaltkreis für Leistungssysteme wie Wechselrichter, Motorantriebe und Beleuchtungssteuerungen. Wie gezeigt, hilft eine breite und tiefe Palette von Treibern, die auf mehreren fortschrittlichen und proprietären Technologien basieren und durch Evaluierungsboards und Kits unterstützt werden, den Entwicklern, eine optimale Anpassung zu gewährleisten.

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