MOSFET-Treiber Optimierte Gate-Treiber verbessern Wirkungsgrad

Autor / Redakteur: Van A. Niemela* / Gerd Kucera

Auch wenn der Gate-Treiber in einem preiswerten Design nicht als sinnvoll erscheint, sorgt er in vielen Anwendungen für höheren Wirkungsgrad, geringere Abmessungen, mehr Zuverlässigkeit und einfacheres Schaltungsdesign. In diesem Beitrag skizziert der Autor die Verwendung von MOSFET-Treibern bei der Konstruktion von Schaltnetzteilen.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Der langfristige Trend zu höherer Leistungsdichte und verbessertem Wirkungsgrad bei Schaltnetzteilen bedingt eine wachsende Nachfrage nach MOSFET-Treibern. Das entsprechende Weltmarktpotenzial liegt laut VDC Venture Development Corporationbei weit über 670 Mio. US-Dollar und soll um jährlich 14,1% zunehmen. Das bedeutet ein noch schnelleres Wachstum als es der Gesamtmarkt für Power-Management-ICs hat. Der Grund: Optimierte MOSFET-Treiber können den Wirkungsgrad erhöhen, Abmessungen reduzieren, die Zuverlässigkeit steigern und das Design von Schaltnetzteilen vereinfachen.

Die richtige Treiber-Platzierung verbessert den Wirkungsgrad

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Ein MOSFET- (oder IGBT)-Treiber ist im Grunde ein spezifischer Leistungsverstärker, der zwischen dem Ausgang eines Netzcontrollers und dem/n Leistungsschalter(n) angeschlossen wird, um den/die Bausteine anzusteuern. Ein Anwendungsbeispiel hierfür zeigt Bild 1, in dem ein Treiber für den Leistungsschalter auf der Primärseite und ein anderer für einen Synchrongleichrichter eingesetzt wird.

Beide werden vom selben PWM-Ausgangssignal eines Controllers angesteuert, wobei ein Impulswandler zum Einsatz kommt, um das Signal über die Isolationsgrenze zu übertragen und das invertierende Eingangssignal eines zweiten Treibers zur Erreichen der korrekten Phasenlage dient.

Platziert man einen Treiber nahe dem angesteuerten Schalter, verbessert dies den Wirkungsgrad, denn die Schaltgeschwindigkeit erhöht sich und es treten weniger elektromagnetische Interferenzen auf, weil der Schleifenbereich des Steuerwechselstroms klein gehalten wird. Das wiederum minimiert Ringing-Effekte im Hochfrequenzbereich und abgestrahltes Rauschen. Außerdem sorgt ein Verlagern dieser Quelle von Verlustleistung und Stromrauschen weg vom Steuer-IC zu dessen einwandfreier Funktion bei.

Platz sparende Treibervarianten für einfaches Design und hohe Zuverlässigkeit

Standard-Low-Side-Treiber, wie in Bild 1 dargestellt, sind meist für maximal 15 bis 25 V ausgelegt und steuern Schalter (oder Trafowicklungen), die auf das Masseniveau des Eingangssignals ausgerichtet sind. Ein weiterer gängiger Niederspannungstreiber ist der synchrone Buck-Treiber, der eine Änderung des Eingangsniveaus für den High-Side-Schalter ermöglicht und eine Zeitschaltung zur Vermeidung von Querströmen mitbringt, wobei er manchmal eine dynamische Anpassung der Totzeit zwischen den Schaltern vornimmt, um den Wirkungsgrad zu optimieren.

Ein dritter Vertreter ist der High-Side-Treiber für MOSFETs, die mit ihren Referenzknoten bei Spannungen zusammenarbeiten, die weit höher als die Massereferenz des Eingangssignals liegen. Einstufungen bis 625 V sind für diese Treiber keine Seltenheit.

Unterspannungssperre sorgt für ein sicheres Schalten

Natürlich können auch einzelne einfache Treiber implementiert werden. Aber wenn erweiterte Funktionen erforderlich sind, kann ein IC-Treiber diese in einem bereitstellen, was Platz spart, das Design vereinfacht und die Zuverlässigkeit erhöht. Einige solcher Funktionen sind in Bild 2 zu sehen, einem internen Blockschaltbild eines einkanaligen Hochleistungstreibers.

Dieses Beispiel verfügt über doppelte Hochgeschwindigkeitseingänge, die für invertierende oder nicht invertierende Polarität konfigurierbar sind. Jeder der Schmitt-Trigger-Eingänge besitzt exakt gesteuerte Schwellenwerte, und zwar entweder TTL (0,8 bis 2,0 V) für eine Kompatibilität mit Niederspannungslogik oder CMOS (0,4 bis 0,6 VDD) für bessere Rauschfestigkeit. Wenn der Netzteilentwickler RC-Schaltkreise an den Treibereingängen verwendet, um Verzögerungen zwischen den einzelnen Schaltern einzurichten, ist mit den höheren CMOS-Schwellenwerten oft eine geringere Variation erzielbar, was auch den Wirkungsgrad des Wandlers optimiert.

Weitere Eigenschaften wie eine Unterspannungssperre, eine Enable-Funktion (unter Nutzung eines der doppelten Eingänge) und Pull-Down-Eingangswiderstände stellen sicher, dass der Leistungsschalter erst dann aktiviert wird, wenn der Schaltvorgang sicher ist. Schließlich liefert die kombinierte Ausgangsstufe sowohl die Hochstromfähigkeit bipolarer Transistoren als auch den Rail-to-Rail-Spannungshub von MOSFETs.

Klein, aber hochstromfähig

Typische Wellenformen eines IC-Treibers sind in Bild 3 zu sehen. Diese zeigen die Hochstromfähigkeit eines sehr kleinen Bauteils, in diesem Fall von einer Größe von nur 2 x 2 mm. Oft sind thermisch verstärkte Baugruppen erforderlich, und zwar aufgrund der erheblichen Verlustleistung in den Treibern, die einfach als VDD mal Gesamtladung mal die Schaltfrequenz berechnet wird. Die Kursoren auf diesen Wellenformen zeigen den Steuerstrom (grüne Spuren) bei einer Ausgangsspannung von VDD/2 an, was eine wichtigere Messgröße als der Spitzensteuerstrom darstellt, weil ein großer Teil der Schaltzeit im Miller-Plateau nahe dieser Spannung verläuft. Weitere Details über die Entwicklung mit Treibern zeigen Bild 2 und 3.

Ein Standard-Low-Side-Treiber wurde eingesetzt, um die potenziellen Vorteile der Verwendung eines IC-MOSFET-Treibers beim Design von Schaltnetzteilen zu verdeutlichen. Auch wenn Treiber vielleicht in einem ganz einfachen und kostengünstigen Design nicht sinnvoll sein mögen, zeugt ihre enorme Verbreitung doch davon, dass sie in vielen Anwendungen ein kosteneffizientes Mittel darstellen, um einen höheren Wirkungsgrad, geringere Abmessungen, mehr Zuverlässigkeit und ein einfacheres Design zu erreichen.

Darum sind MOSFET-Gate-Treiber für eine gute Stromversorgungen wichtig

Der langfristige Trend hin zu höherer Dichte und höherem Wirkungsgrad bei Schaltnetzteilen sorgt für eine hohe Nachfrage nach MOSFET-Treibern. Sie steigern außer dem Wirkungsgrad auch die Zuverlässigkeit, sparen Platz und vereinfachen das Netzteildesign. Wenn erweiterte Funktionen gefragt sind, kann ein IC-Treiber diese vollständig bereitstellen.

Es lassen sich so alle Nachteile vermeiden, die der Einsatz mehrerer einzelner einfacher Treiber hinsichtlich Platzbedarf, Designkomplexität und Störanfälligkeit mit sich bringt. Anhand eines Standard-Low-Side-Treibers, die meist für maximal 15 bis 25 V ausgelegt ist und Schalter oder Transformatorwindungen steuert, die auf das Masseniveau des Eingangssignals ausgerichtet sind, werden im Artikel die potenziellen Vorteile eines IC-MOSFET-Treibers beim Design von Stromversorgungen verdeutlicht. Weitere Vertreter sind synchrone Buck-Treiber und High-Side-Treiber für MOSFETs.

Fairchild Semiconductor, Tel. +49(0)8141 6102122

*Van A. Niemela ist System Engineer & Strategic Marketer High Power Solutions and Analog Products bei Fairchild Semiconductor in South Portland, Maine/USA.

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