Nutzung von potentialfreien, nicht isolierten Halbbrücken-Gate-Treibern

Produktentwickler müssen mehrere Einschränkungen ausgleichen - Platzbedarf, Kosten, Zuverlässigkeit und Markteinführungszeit. Eine große Herausforderung ist die Auswahl eines Netzteils, das in den engen Raum passt, der für moderne Anwendungen erforderlich ist.

Kompakte, leistungsstarke Leistungsstufen sind auf schnelle, zuverlässige Gate-Treiberlösungen angewiesen. Diese Lösungen reichen von einfachen Low-Side-Treibern bis hin zu vollständig isolierten Versionen, die für Hochspannungsumgebungen geeignet sind. Für viele Designs bietet ein potentialfreier, nicht isolierter Gate-Treiber einen effizienten Weg zum Erfolg.

Gate-Treiber fungieren als Vermittler zwischen Steuersignalen mit geringem Stromverbrauch - häufig von einem Mikrocontroller oder einer Pulsweitenmodulationssteuerung (PWM) - und Hochleistungsschaltern, die den Energiefluss regulieren. Sie sorgen für sauberes, schnelles und präzises Schalten, um die Leistungsabgabe zu optimieren.

Bei der Auswahl des richtigen Gate-Treibers müssen die Spannungs- und Stromanforderungen, die Topologie und die Schaltfrequenz bewertet werden. Ein gut abgestimmter Treiber verbessert den Wirkungsgrad, die Timing-Genauigkeit und die thermische Stabilität - alles entscheidende Faktoren für leistungsstarke, kompakte Systeme.

Vorteile der Halbbrückentopologie

Die Halbbrückentopologie ist ein weit verbreiteter Ansatz in der modernen Leistungsumwandlung und ermöglicht eine effiziente Spannungsregelung in kompakten Designs. Sie basiert auf zwei Highspeed-Schaltvorrichtungen - in der Regel MOSFETs oder bipolare Transistoren mit isolierter Gateelektrode (IGBTs) -, die die Eingangsspannung abwechselnd liefern und entweder einen Transformator in isolierten Designs speisen oder die Last in nicht isolierten Systemen direkt versorgen. Diese Topologie wird wegen ihrer Effizienz und ihres Potenzials zur thermischen Optimierung geschätzt.

Ein Gate-Treiber-IC spielt eine entscheidende Rolle bei der Steuerung dieser Schalter und fungiert als Schnittstelle zwischen dem Controller und der Leistungsstufe. Er wandelt PWM-Signale in Hochstrom-Treibersignale um und gewährleistet so ein schnelles und präzises Schalten der High-Side- und Low-Side-Transistoren. Dieser schnelle, effiziente Betrieb minimiert Energieverluste und verbessert die Gesamtleistung des Systems.

In einer Halbbrückenschaltung ist der Source-Kontakt des High-Side-MOSFETs mit dem Schaltknoten verbunden, der sich je nach Schaltzyklus schnell zwischen Masse (0 V) und der Eingangsspannung (z. B. 12 V, 48 V usw.) bewegt. Bei einem potentialfreien, nicht isolierten Gate-Treiber „schwebt“ der High-Side-Treiber mit der Spannung am Schaltknoten, was saubere und effiziente Übergänge ermöglicht.

Wenn keine Isolierung erforderlich ist und Kompaktheit, Geschwindigkeit und Effizienz im Vordergrund stehen, sind nicht isolierte Halbbrücken-Gate-Treiber mit schwebender Masse eine ideale Lösung. Diese Treiber sind für die Steuerung von High-Side- und Low-Side-MOSFET-Schaltern konzipiert und eliminieren die Komplexität der Isolierung bei gleichzeitiger Gewährleistung einer präzisen Schaltleistung. Da sie keine galvanische Trennung zwischen der Steuerlogik und der Leistungsstufe bieten, funktionieren sie am besten in Systemen, in denen alle Komponenten eine gemeinsame Masse haben.

Die Erzeugung der erforderlichen Gate-Treiberspannung für den High-Side-MOSFET erfolgt in der Regel über einen Bootstrap-Kondensator. Dieser Kondensator lädt sich auf, wenn der Low-Side-Schalter aktiv ist, und liefert Strom, wenn der High-Side-Schalter eingeschaltet wird.

Wenn der Low-Side-MOSFET leitet, wird der Schaltknoten auf Masse gezogen, so dass eine kleine Dioden-Kondensator-Schaltung den Bootstrap-Kondensator über die Versorgungsschiene aufladen kann. Wenn der High-Side-MOSFET eingeschaltet werden muss, zapft der Treiber diese gespeicherte Ladung an, um das Gate auf eine Spannung zu bringen, die höher ist als der Schaltknoten - oft 10 V bis 15 V höher.

Die Entwickler müssen sicherstellen, dass der Low-Side-Schalter häufig genug eingeschaltet wird, um den Bootstrap-Kondensator wieder aufzuladen. Bei Anwendungen mit hoher Einschaltdauer können zusätzliche Vorsichtsmaßnahmen erforderlich sein, z. B. die Auswahl des richtigen Kondensatorwerts und die Minimierung des Spannungsabfalls über der Bootstrap-Diode.

Durch die Nutzung der Bootstrap-Architektur und die Verfolgung der Schaltknotenspannung eliminieren potentialfreie, nicht isolierte Halbbrückentreiber die Komplexität der Isolierung und gewährleisten gleichzeitig eine robuste High-Side-Steuerung. Aufgrund ihrer Einfachheit und Effizienz eignen sie sich gut für Hochfrequenz-Schaltanwendungen wie Abwärts- und Aufwärtswandler, Synchronregler, Motorantriebe und Audioverstärker der Klasse D.

Auswahl des richtigen Gate-Treiber-ICs

Die Auswahl des richtigen Gate-Treibers ist entscheidend für einen effizienten, zuverlässigen und sicheren Betrieb der Leistungsstufe, insbesondere bei Highspeed-Schaltanwendungen wie Abwärtswandlern, Motorantrieben und Solarstromsystemen. Während die Grundlagen der Gate-Ansteuerung im Allgemeinen gelten, sind bestimmte Auswahlkriterien je nach Systemanforderungen besonders wichtig.

Bei der Umwandlung von Solarenergie und bei batteriegespeisten Systemen beispielsweise muss der Gate-Treiber große Eingangsspannungsschwankungen und wechselnde Lastbedingungen bewältigen. Eine High-Side-Spannung mit ausreichendem Spielraum ist erforderlich, um Schwankungen der gesamten Versorgungsschiene zu widerstehen und langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Die Gleichtaktstörfestigkeit (CMTI) ist ein weiterer wichtiger Aspekt. Schnelle Schaltvorgänge können steile Spannungsdifferenzen zwischen High-Side- und Low-Side-MOSFETs erzeugen, was zu Rauschen und Klingeln führt. Gate-Treiber mit hohem CMTI bieten eine bessere Stabilität in elektrisch verrauschten Umgebungen.

Ebenso wichtig ist der Spitzenstrom, insbesondere bei Hochleistungsanwendungen. Der Treiber muss genügend Strom liefern, um das MOSFET-Gate schnell aufzuladen und die parasitäre Kapazität zu überwinden, was die Schaltverluste verringert und die thermische Leistung verbessert.

Schließlich spielt die Totzeitsteuerung bei Halbbrückenkonfigurationen eine entscheidende Rolle. Ohne eine kurze Verzögerung zwischen dem Ausschalten des einen und dem Aktivieren des anderen Schalters kann es zu einem Durchschlag kommen, da beide MOSFETs gleichzeitig leiten. Viele Gate-Treiber verfügen über integrierte oder einstellbare Totzeiteinstellungen, um dieses Problem zu vermeiden und einen sicheren, effizienten Betrieb bei unterschiedlichen Lastbedingungen zu ermöglichen.

Die Familie LTC706x von ADI

Die Einfachheit und die Highspeed-Schaltfunktionen von potentialfreien, nicht isolierten Halbbrückentreibern machen sie zu einer optimalen Lösung für viele Designs. Analog Devices, Inc. (ADI) bietet eine Reihe von funktionsreichen Hochspannungskomponenten, die für anspruchsvolle Anwendungen entwickelt wurden.

Die potentialfreien, nicht isolierten Halbbrücken-Gate-Treiber LTC706x von ADI (Bild 1) bieten vielseitige Lösungen für die Anforderungen der Highspeed- und Hochspannungs-Leistungswandlung. Diese Bausteine eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen, von der Automobilelektronik bis hin zu industriellen Steuerungen, und bieten eine genaue Zeitsteuerung, Durchschlagschutz und eine hohe Treiberstärke in kompakten Gehäusen.

Abbildung 1: Der Formfaktor der potentialfreien, nicht isolierten Halbbrückentreiber LTC706x von ADI. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Die Produkte von ADI bieten eine Reihe von Optionen zur Anpassung an Spannungs-, Logik- und Layout-Anforderungen und helfen Entwicklern, die richtige Balance zwischen Leistung und Einfachheit auf Systemebene zu finden. Alle unterstützen N-Kanal-MOSFETs, die einen geringeren Durchlasswiderstand (RDS_ON), schnellere Schaltgeschwindigkeiten und eine höhere Strombelastbarkeit als P-Kanal-MOSFETs bieten.

Zwei Bauteile unterstützen eine maximale Versorgungsspannung von 100 V:

• Der LTC7060 ist für Systeme optimiert, die auf einen einzigen PWM-Eingang mit Tri-State-Fähigkeit angewiesen sind, so dass er sowohl das High-Side- als auch das Low-Side-Gate-Timing von einer Steuerleitung ableiten kann. Dies vereinfacht die Schnittstellen zu digitalen Controllern und reduziert die Anzahl der Pins für den Einsatz in platzbeschränkten Anwendungen. Der Tri-State-Eingangsmodus ermöglicht auch einen sicheren Hochimpedanzzustand, der in bestimmten Fehlerszenarien eine zusätzliche Fehlertoleranz bietet. Er ist eine gute Wahl für Entwickler, die Einfachheit und Kompaktheit bevorzugen.
• Der LTC7061 ist für Anwendungen konzipiert, die unabhängige CMOS- oder TTL-Logikeingänge für die High-Side- und Low-Side-Schalter benötigen. Dieser Ansatz mit zwei Eingängen ermöglicht eine größere Flexibilität und Kontrolle über das Timing - besonders wertvoll in Systemen, bei denen die Totzeit extern von einem Mikrocontroller oder PWM-Controller gesteuert wird. Für Entwickler, die eine genaue Kontrolle über das Schaltverhalten oder die Implementierung kundenspezifischer Timing-Strategien benötigen, bietet der LTC7061 eine anpassungsfähigere Schnittstelle mit flexibler Steuerung zur Leistungseinstellung.

Für Anwendungen, bei denen die Eingangsspannung mehr als 100 V beträgt, wie z. B. bei industriellen Motorantrieben, 48V-Schienen in der Automobilindustrie oder Power-over-Ethernet-Infrastrukturen, stehen zwei Optionen zur Verfügung, die eine maximale Versorgungsspannung von 140 V unterstützen:

• Der LTC7063 verfügt über einen PWM-Eingang mit drei Zuständen, so dass sowohl High-Side- als auch Low-Side-MOSFETs über ein einziges Eingangssignal gesteuert werden können. Diese Konfiguration vereinfacht die Steuerschnittstelle, da der PWM-Pin den Zustand der MOSFETs auf der Grundlage seines Spannungspegels bestimmt. Entwickler können dies für Hochleistungsanwendungen bevorzugen, die von einer vereinfachten Steuerungsschnittstelle, einer reduzierten Anzahl von Pins und einer minimierten Komplexität der Signalführung auf dichten Leiterplatten profitieren. Eine praktische Anwendung des LTC7063 ist ein 2:1-Abwärtswandler mit entfernter Last (Abbildung 2). Diese Konfiguration arbeitet mit einer Eingangsspannung von bis zu 80 V und liefert die Hälfte der Eingangsspannung (½ V_IN) an eine maximale Last von 5 A.

Abbildung 2: Abwärtswandlerentwurf mit entfernter Last unter Verwendung des potentialfreien, nicht isolierten Halbbrücken-Gate-Treibers LTC7063. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

• Der LTC7066 akzeptiert unabhängige CMOS/TTL-Logikpegeleingänge für die High-Side- und Low-Side-Treiber und liefert somit separate Steuersignale für jeden MOSFET. Dies ermöglicht eine präzise und flexible Steuerung, die es den Entwicklern erlaubt, die Vorteile von Timing, Totzeit und Schaltverhalten voll auszuschöpfen. Dies macht ihn ideal für Systeme mit fein abgestimmter digitaler Steuerung, wie z. B. solche mit digitalen Hochleistungs-Controllern oder FPGAs.

Unabhängig davon, ob sie in Nieder- oder Hochspannungsumgebungen betrieben werden, verfügt jeder Baustein der Produktreihe über wichtige Schutzfunktionen und Abstimmungsparameter, die den Entwicklern helfen, die maximale Leistung aus den Leistungsstufen herauszuholen.

Jedes Produkt bietet einen adaptiven Durchschlagschutz, um zu verhindern, dass High-Side- und Low-Side-MOSFETs gleichzeitig leiten. Darüber hinaus unterstützt jeder Baustein eine einstellbare Totzeit, die es Entwicklern ermöglicht, die Verzögerung zwischen den Schaltübergängen fein abzustimmen, um Verluste zu minimieren und Querschlüsse zu vermeiden, ohne die Effizienz zu beeinträchtigen. Ein weiteres gängiges Merkmal ist die Unterspannungsabschaltung (UVLO), die sicherstellt, dass der Gate-Treiber nur dann arbeitet, wenn die Versorgungsspannungen innerhalb sicherer Schwellenwerte liegen.

Die LTC706x-Bausteine bieten alle eine hohe Gate-Treiber-Impedanz mit typischen Werten von 1,5 Ω Pull-up und 0,8 Ω Pull-down. Dies ermöglicht eine schnelle Gate-Ladung und -Entladung, die für schnelles Schalten, enge Zeitsteuerung und reduzierte Schaltverluste in Highspeed-Anwendungen entscheidend ist.

Für Anwendungen mit hoher Einschaltdauer, bei denen herkömmliche Bootstrap-Methoden unzureichend sind, können Entwickler alternative Gate-Ansteuerungstechniken evaluieren. Dabei müssen die jeweiligen Kompromisse in Bezug auf Komplexität, Effizienz und Kosten berücksichtigt werden. Isolierte Gate-Treiber verwenden beispielsweise Übertrager oder digitale Isolatoren, um unabhängige Gate-Ansteuerspannungen zu liefern, wodurch Bootstrap-Lademechanismen überflüssig werden, während direkte Vorspannungsversorgungen eine stabile Gate-Ansteuerspannung unabhängig von Schaltzyklen liefern können.

Fazit

In Hochleistungsanwendungen, bei denen Geschwindigkeit, Effizienz und kompaktes Design von größter Bedeutung sind, bieten nicht isolierte potentialfreie Halbbrücken-Gate-Treiber eine optimale Lösung zur Steuerung von High-Side- und Low-Side-MOSFETs. Durch den Einsatz eines Bootstrap-Schaltkreises zur Erzeugung der erforderlichen Gate-Treiberspannung machen diese Treiber die Komplexität isolierter Designs überflüssig und gewährleisten gleichzeitig eine präzise Schaltleistung. Die LTC706x-Produktfamilie von ADI bietet eine Reihe vielseitiger Lösungen für die Anforderungen der Highspeed- und Hochspannungsstromwandlung.