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Leistungselektronik: Einen unipolaren Gate-Treiber bipolar ansteuern

Autor / Redakteur: Ryan Schnell * / Kristin Rinortner

Um positive und negative Spannungen zu generieren, sind keine speziellen Gate-Treiber nötig. Wir zeigen Ihnen, wie Sie einen unipolaren Gate-Treiber so adaptieren, dass Sie ihn bipolar treiben können und gleichzeitig den Miller-Effekt mindern.

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Bild 1: Formen von unipolaren (a) und bipolaren (b) Gate-Treiberspannungen.
Bild 1: Formen von unipolaren (a) und bipolaren (b) Gate-Treiberspannungen.
(Bild: ADI)

Sind für einen Leistungsbaustein positive und negative Gate-Ansteuerungen erforderlich, müssen Schaltungsentwickler nicht nach einem Gate-Treiber suchen, der speziell einen bipolaren Betrieb erlaubt. Sie können den nachfolgend beschriebenen Trick verwenden, um mit einem unipolaren Gate-Treiber bipolare Spannungen zu erzeugen.

Wenn Sie MOSFETs und IGBTs mittlerer und hoher Leistung ansteuern, besteht die Gefahr, dass beim Einschalten der Miller-Effekt auftritt, wenn eine große Spannungsänderung am Leistungsbaustein vorhanden ist. Dabei wird Strom am Gate des Leistungsbausteins über die Gate-Drain- oder Gate-Kollektor-Kapazität injiziert.

Ist diese Stromeinspeisung groß genug, um die Gate-Spannung über die Schwellwertspannung des Bausteins zu steigern, können beim Einschalten parasitäre Effekte auftreten, die zu einem geringeren Wirkungsgrad oder einem Ausfall des Bausteins führen.

Der Miller-Effekt bezeichnet also die Vergrößerung der Eingangskapazität eines invertierenden Verstärkers, die aufgrund der effektiven Verstärkung der Kapazität zwischen Ein- und Ausgang dieses Verstärkers auftritt. Der Effekt kann durch einen Pfad mit sehr geringer Impedanz vom Gate des Leistungsbausteins zur Source oder Drain abgeschwächt werden.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass man das Gate in Bezug auf Source oder Drain mit einer negativen Spannung ansteuert. Das Ziel der Techniken zur Abschwächung des Miller-Effekts beim Einschalten besteht darin, die Gate-Spannung unter einem gewünschten Schwellwert zu halten, wenn ein Stromstoß wegen der Miller-Kapazität eintritt.

Wofür eine negative Gate-Treiberspannung gut ist

Einige Leistungsbausteine brauchen darüber hinaus eine negative Spannung, um vollständig abzuschalten, wozu eine Art negative Treiberspannung benötigt wird, die vom Gate-Treiber kommt. Für Standard-Silizium-MOSFETs, IGBTs, SiC- und GaN-Bauelemente empfehlen die Hersteller negative Gate-Treiberspannungen.

Es gibt eine große Palette an isolierten Gate-Treibern, die auf der sekundären Seite (der Seite, die das Leistungsbauteil ansteuert) einer unipolaren Stromversorgung arbeiten. Darunter befinden sich aber deutlich weniger Gate-Treiber, die explizit das bipolare Ansteuern erlauben.

Wenn der Gate-Treiber bipolares Ansteuern nicht unterstützt

Eine Methode, das Problem mit den nicht vorhandenen Bauteilen mit negativer Gate-Treiberspannung zu lösen, ist, den Gate-Treiber vom Leistungsbauteil zu separieren. Damit erzeugen Sie relativ zum Gate oder Drain des Leistungsbauteils eine negative Gate-Treiberspannung, wobei der Gate-Treiber-IC nur eine unipolare Versorgung erkennt. Beispiele für unipolare und bipolare Treiber-Spannungsformen zeigt Bild 1.

Bild 2: Beispiel für einen bipolaren Schaltungsaufbau.
Bild 2: Beispiel für einen bipolaren Schaltungsaufbau.
(Bild: ADI)

Ein Schaltplan mit einer idealen Spannungsquelle ist in Bild 2 dargestellt. In diesem Beispiel wird das Leistungsbauteil vom Treiber-IC mit einer Spannung versorgt, die der Summe von U1 und U2 entspricht, während das Gate des MOSFETs im Zustand EIN mit +U1 und im Zustand AUS mit –U2, relativ zum Source-Knoten des MOSFETs angesteuert wird.

In diesem Beispiel sind beide Quellen mit separaten Kondensatoren entkoppelt. Eine effektive Entkopplung für den Gate-Treiber-IC ist die Reihenschaltung der Kondensatoren, deren Gesamtkapazität geringer ist, als der Wert jedes einzelnen Kondensators.

Eine zusätzliche Entkopplung können Sie, wenn Sie es wünschen, zwischen UDD und GND einfügen. Dabei ist es wichtig, die Kondensatoren C1 und C2 als die Kondensatoren beizubehalten, die die Pfade mit geringer Impedanz für den Gate-Strom während des Ein- und Ausschaltens separat bereitstellen.

Isolierte Gate-Treiber mit Unterspannungssperre (UVLO)

Isolierte Gate-Treiber besitzen häufig eine Unterspannungssperre (UVLO), die verhindert, dass das Leistungsbauteil zu schwach angesteuert wird, wenn der Gate-Treiber mit einer zu geringen Gate-Spannung getrieben wird. Wird der unipolare Gate-Treiber aus Bild 2 angesteuert, ist der erwartete Betrieb der UVLO normalerweise auf die Masse des Gate-Treibers bezogen.

Wir nehmen als Beispiel einen Fall, bei dem U1 = 15 V und U2 = 9 V betragen und die Unterspannungssperre des Gate-Treibers bei rund 1 V liegt, was üblich beim Einsatz von IGBTs ist. Wenn U1 dann um mehr als 4 V abfällt, würde die Unterspannungssperre nicht aktiviert, der IGBT aber während der EIN-Zeit unter 11 V getrieben, und damit untersteuert.

Für dieses Beispiel können Sie zwei separate Spannungsquellen mit zwei separaten isolierten Stromversorgungen erzeugen, allerdings sind die Kosten hoch. Verwenden Sie dagegen eine Flyback-Konfiguration, können Sie unterschiedliche Windungen abgreifen, um relativ einfach unterschiedliche Spannungen zu generieren.

Darüber hinaus gibt es auch isolierte Module, die eine isolierte Spannung liefern, und die Sie als Spannungsquellen verwenden können. Eines kommt von RECOM und bietet eine isolierte Versorgungsspannung von +15 V und –9 V.

Für einen derart großen Spannungshub muss der Gate-Treiber ausgelegt sein. Zwei Gate-Treiber, die gut mit diesen Spannungen arbeiten, sind die IGBT-Gate-Treiber auf Basis der iCoupler-Technologie ADuM4135 und ADuM4136. Sie bieten einen Spannungsbereich, der den Einsatz bis 30 V erlaubt.

Beide Bausteine haben einen dedizierten Masse-Pin auf der Ausgangsseite, mit dem es möglich ist, die Unterspannungssperre des Treibers auf den positiven Versorgungspegel zu beziehen. Der ADuM4135 hat auch eine integrierte Miller-Klemme, die den Miller-Effekt abschwächt.

Vorgespannte Zener-Dioden für die zweite Spannung

Eine einfache Methode, eine bipolare Versorgung mit nur einer einzelnen Versorgungsspannung zu erzeugen, besteht darin, eine zweite Spannung mit einer vorgespannten Zener-Diode zu generieren.

Obwohl Gate-Treiber während des Ein- und Ausschaltens der Leistungsbauteile hohe Ströme erzeugen, ist der von der Stromversorgung benötigte Durchschnittsstrom relativ gering – für die meisten Anwendungen oft nur wenige 10 mA.

Die Zener-Diode kann so platziert werden, dass sie entweder die positive oder negative Spannung regelt. Abhängig davon können Sie auswählen, welcher Pegel die höhere Genauigkeit aufweisen muss.

Bild 3: Beispiel einer Schaltung mit einer Zener-Diode.
Bild 3: Beispiel einer Schaltung mit einer Zener-Diode.
(Bild: ADI)

Das in Bild 3 gezeigte Beispiel ist so konfiguriert, dass die positive Spannung genauer geregelt wird als die negative. Ein Grund, die positive Spannung genau zu regeln, kann sein, dass das anzusteuernde Gate nur eine sehr geringe Toleranz bezüglich der Gate-Spannung hat, wie dies bei einigen GaN-Bausteinen der Fall ist.

Die exakte Regelung der positiven Versorgung hat zudem den Vorteil, dass die Unterspannungssperre des Gate-Treibers wie erwartet funktioniert, da jede Schwankung von U3 an der Zener-Diode solange abgeschwächt wird, bis U3 zu klein ist, um die Zener-Spannung zu liefern.

Wenn Sie eine Zener-Diode verwenden, um aus einer einzigen Versorgungsspannung zwei zu generieren, ist auch das Layout einfacher. Dabei ersetzen eine Zener-Diode und ein Widerstand nicht nur effektiv eine komplette isolierte Spannungsquelle. Wenn Sie einen unipolaren isolierten Gate-Treiber einsetzen, können Sie darüber hinaus einen Baustein mit nur sechs Anschlüssen verwenden – beispielsweise den ADuM4120. Dies spart noch mehr Platz um den Gate-Treiber-IC entlang der isolierten Kriechstrombereiche ein.

Referenzbeispiel mit bipolarer Zener-Diode

Ein Referenzbeispiel für eine Halbbrücke mit einer bipolaren Zener-Dioden-Konfiguration wurde mit dem ADuM4121 von Analog Devices und dem GS66508T von GaN Systems aufgebaut. Dieses Beispiel stellt für die Bausteinversorgung eine Treiberspannung von +5 V und –4 V zur Verfügung.

Bild 4: 
Experimentelle Messergebnisse der Schaltung mit dem ADuM4121 und GS66508T.
Bild 4: 
Experimentelle Messergebnisse der Schaltung mit dem ADuM4121 und GS66508T.
(Bild: ADI)

Das Referenzbeispiel kann mit einer anderen Zener-Diode einfach auf eine Treiberspannung von +6 V und –3 V und dieselbe isolierte Stromversorgung von 9 V adaptiert werden. Eine lange Totzeit wird verwendet, um den Miller-Stromstoß von anderen Ausschalt-Transienten deutlich zu separieren.

In der Praxis erlaubt der ADuM4121 aber deutlich kürzere Totzeiten im Bereich einiger 10 ns, was eine wichtiger Kennwert für GaN-Schaltungen mit hohem Wirkungsgrad ist.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 12/2020 (Download PDF)

Fazit: Es ist nicht kompliziert, eine negative Gate-Treiberspannung zu erzeugen, die den Miller-Effekt beim Einschalten abschwächt. Viele Gate-Treiber, die unipolar arbeiten, können Sie auch so betreiben, dass Sie ein Gate mit nur minimaler externer Beschaltung negativ treiben. Es sind zwar einige Auswirkungen zu beachten, wie die effektive Unterspannungssperre, aber die Vorzüge eines solchen Betriebs sind gewaltig.

* Ryan Schnell ist Applikationsingenieur bei Analog Devices in Wilmington / U.S.A.

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