Verwendung von Einkanal- und Zweikanal-Gatetreibern für eine verbesserte Isolierung in kritischen Anwendungen

Es gibt zahlreiche kritische Anwendungen, bei denen Daten und Stromversorgung von Hochspannungs- auf Niederspannungskreise übertragen werden müssen. Gute Beispiele sind Motorantriebe, Datenzentren, industrielle Automatisierung und Netzinfrastrukturgeräte wie Solarwechselrichter. Entwickler wollen zwar zuverlässige, geregelte Spannungen und Ströme sowie eine schnelle und hochintegrierte Datenübertragung, aber sie wollen nicht, dass unkontrollierte Hochspannungstransienten ihre teuren Systeme beeinträchtigen. Die durch Blitzeinschläge ausgelösten Spannungen können empfindliche Chips leicht beschädigen und Datenströme verfälschen. Außerdem können solche Störgrößen eine Gefahr für das Wartungspersonal darstellen.

Der Schutz vor Transienten erfolgt in Form einer Isolierung. Die Isolierung gewährleistet, dass zwei Teilstromkreise des Gesamtsystems elektrisch getrennt sind, ohne dass ein ohmscher oder galvanischer Pfad zwischen ihnen besteht (unendlicher Widerstand); dennoch können Signale, Energie oder beides zwischen diesen Teilstromkreisen fließen.

Es gibt verschiedene Methoden, um eine sichere Trennung zu erreichen, wobei die traditionellen Techniken den Einsatz von Trenntransformatoren und Optokopplern beinhalten. In Anwendungen, bei denen Eigenschaften wie Gleichtaktstörfestigkeit (CMTI), saubere Wellenformen, geringe Größe, funktionale Integration, hohe Schaltgeschwindigkeit, niedrige Kosten, Einfachheit, Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer im Vordergrund stehen, sind Gatetreiber jedoch eine bewährte Lösung.

Gatetreiber für leistungsstarke Isolationsanwendungen

Isolierte Gatetreiber-ICs (Abbildung 1) bieten die Möglichkeit, Faktoren wie Isolationsgrad, Laufzeitverzögerung, parasitäre Streuinduktivität, parasitäre Eingangs-/Ausgangskapazität, CMTI, Bauteilgröße und -dicke, Leiterplattenlayout und die Einbeziehung von Schutzfunktionen wie Unterspannungssperre (UVLO) zu steuern. Die Optimierung jeder dieser Eigenschaften ermöglicht es dem Ingenieur, die Leistung des Gatetreibers auf die jeweilige Anwendung abzustimmen.

Abbildung 1: Dargestellt ist das Layout eines typischen Einkanal-Gatetreibers mit CMOS-Isolierung und UVLO-Schutz. (Bildquelle: Skyworks Solutions)

Skyworks Solutions bietet eine breite Palette an isolierten Gatetreiber-ICs mit CMOS-Eingängen von 3 bis 20 Volt und Gatetreibern mit bis zu 30 Volt. Sie sind in verschiedenen Konfigurationen mit 1, 4 und 6 Ampere (A) erhältlich, darunter die Modelle Si82Ax, Si82Bx, Si82Cx, Si82Dx, Si82Ex und Si82Fx (Abbildung 2). Zu den Merkmalen gehören eine Isolierung von bis zu 6 Kilovolt effektiv (kV_eff), ein CMTI von 200 kV pro Mikrosekunde (kV/µs), eine Laufzeitverzögerung von weniger als 45 Nanosekunden und die Unterstützung von GaN-, IGBT-, SiC- und MOSFET-Technologien.

Abbildung 2: Die Ein- und Zweikanal-Gatetreiber Si82Ax-Fx unterstützen Ausgänge von 1, 4 und 6 A. (Bildquelle: Skyworks Solutions)

Der Spannungsausgang der Bausteine ermöglicht eine optimierte Schaltleistung, während verschiedene UVLO-Optionen und ein Eingangsüberlappungsschutz einen sicheren Betrieb gewährleisten. Dazu gehören Deglitch-Optionen, einkanalige Konfigurationen mit kombiniertem oder geteiltem Ausgang, eine integrierte Miller-Klemme und verschiedene UVLOs, die auf den angesteuerten Leistungsschaltertyp abgestimmt sind.

Die Bausteine Si82Ax und Si82Dx zielen auf Leistungs- und Motorsteuerungsanwendungen ab, während die Bausteine Si82Bx und Si82Ex die Anforderungen an Leistungsschalter erfüllen. Die Hochleistungsversionen Si82Cx und Si82Fx für die Ansteuerung von Leistungsschaltern nutzen die SelVCD-Stromsteuerarchitektur (SelVCD: Selectable Variable Current Drive) von Skyworks und sind für den Einsatz im Automobilbereich qualifiziert. SelVCD arbeitet als Stromquelle und hält die Ausgangsleistung unter allen Betriebsbedingungen innerhalb einer engen Toleranz vom Zielwert.

Erste Schritte mit isolierten Gatetreibern

Den Entwicklern steht innerhalb jeder Familie eine breite Palette von Optionen zur Verfügung, aus denen sie entsprechend ihren spezifischen Anforderungen wählen können. Der SI82A30BCC-IS aus der Familie Si82Ax ist beispielsweise ein Einkanal-Baustein für 3,75 kV und 1 A, der sich ideal für die Ansteuerung von Leistungs-MOSFETs und IGBTs in Anwendungen wie Schaltnetzteilen und Motorsteuerungen eignet. Er ist in Konfigurationen mit einem oder zwei Ausgängen erhältlich (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der SI82A30BCC-IS ist ein einkanaliger Baustein, der sich ideal für die Ansteuerung von Leistungs-MOSFETs und IGBTs eignet und in Konfigurationen mit einem oder geteiltem Ausgang erhältlich ist (siehe Abbildung). (Bildquelle: Skyworks Solutions)

Der SI82F29AGC-IS1 aus der Serie Si82Fx ist ein 3,75kV-Doppelkanal-Bauelement, das für MOSFET-, IGBT-, SiC- und GaN-Schaltarchitekturen entwickelt wurde und über zwei (Abbildung 4, links) oder einen (Abbildung 4, rechts) Steuereingang verfügt. Die SelVCD-Technologie in der Ausgangsstufe passt den Ausgangsstrom zwischen acht wählbaren Pegeln an, so dass keine Gate-Widerstände erforderlich sind und keine Miller-Effekt-Ströme auftreten.

Abbildung 4: Der SI82F29AGC-IS1 ist ein Zweikanal-Gatetreiber für MOSFET-, IGBT-, SiC- und GaN-Schaltarchitekturen, der entweder zwei (links) oder einen (rechts) Steuereingang besitzt. (Bildquelle: Skyworks)

Skyworks bietet auch das praktische Evaluierungskit SI82F39ABC-KIT (Abbildung 5) für seine Si82Fx-Serie an. Der Si82Fx steht im Mittelpunkt des Kits, und die Peripheriekomponenten und -funktionen ermöglichen es dem Entwickler, die Schalt-, Schutz- und Isolationsfunktionen des Chips zu nutzen.

Abbildung 5: Mit dem Evaluierungskit SI82F39ABC-KIT können Entwickler die Schalt-, Schutz- und Isolationsfunktionen der Si82Fx-Serie testen. (Bildquelle: Skyworks Solutions)

Fazit

Die Isolierung zwischen einer Hochspannungs-Stromversorgung und Niederspannungs-Betriebsstromkreisen ist für den Schutz von Systemen und Anwendern in kritischen Anwendungen wie Rechenzentren, Industrieautomatisierung, Medizintechnik und Automobilbau unerlässlich. Die Gatetreiber Si82Ax-Fx bieten Entwicklern die außergewöhnliche Isolationsleistung, saubere sinusförmige Ausgänge, Flexibilität und Zuverlässigkeit, die diese Systeme für eine effiziente Leistung bei allen Frequenzen benötigen.