Tipps zur Auswahl von isolierten Gate-Treibern

| Autor / Redakteur: Thomas Brand * / Gerd Kucera

Bild 1: Vereinfachte Darstellung der einzelnen Verlustanteile des Transistors.
Bild 1: Vereinfachte Darstellung der einzelnen Verlustanteile des Transistors. (Bild: Analog Devices)

Der Artikel skizziert vier wesentliche Parameter, die bei der Auswahl von isolierten Gate-Treibern von Bedeutung sind: Stromtreibfähigkeit, Timing, Isolationsspannung und Störfestigkeit.

Zum Schalten von hohen Spannungen und Strömen sind IGBTs beliebte spannungsgesteuerte Leistungshalbleiter. Im ihre Schaltverluste gering zu halten, sind kurze Schaltzeiten nötig.

Doch das birgt die Gefahr von hohen Spannungstransienten, die u.U. auch Einfluss auf die Prozessorlogik haben können. Daher werden zum Ansteuern meist Gate-Treiber eingesetzt, die die IGBTs mit einem geeigneten Gate-Signal versorgen, die Kurzschlussschutzfunktionen haben und die Schaltgeschwindigkeiten beeinflussen. Bei der Wahl des Gate-Treibers sind vier Punkte zu berücksichtigen:

Stromtreibfähigkeit: Beim Schalten befindet sich der Transistor kurzzeitig in einem Zustand, bei dem sowohl eine hohe Spannung als auch ein hoher Strom anliegt. Gemäß des Ohmschen Gesetzes entstehen Verluste, abhängig von der Dauer dieser Zustände (Bild 1).

Diese Zeiträume sollen möglichst gering sein. Wesentlichen Einfluss hierbei hat die Gate-Kapazität des Transistors, die beim Schalten geladen bzw. entladen werden muss. Höhere transiente Ströme beschleunigen diesen Prozess. Treiber, die länger höhere Gate-Ströme liefern können, wirken sich vorteilhaft auf die Schaltverluste aus.

Der Einkanal-Gate-Treiber ADuM4135 liefert z.B. bis 4 A. Je nach IGBT sind damit Schaltzeiten im einstelligen ns-Bereich möglich.

Timing: Um Schaltzeiten gering zu halten, kommt es u.a. auch auf die Anstiegs- (tR) bzw. Abfallzeit (tF) des Treiberausgangs sowie dessen Laufzeitverzögerung (tD) an. Diese ist definiert als Dauer, die eine Eingangsflanke benötigt, bis sie am Ausgang anliegt; sie ist auch abhängig vom Treiberausgangsstrom und der Ausgangslast und verhält sich bei steigenden und fallenden Flanken etwas unterschiedlich, wodurch eine Pulsweitenverzerrung entsteht: PWD = |tDLH – tDHL|.

Da Treiber oft mehrere Ausgangskanäle haben, diese aber trotz Ansteuerung über denselben Eingang zeitlich verschieden reagieren, ergibt sich zudem ein leichter Versatz (tSKEW).

Isolationsspannung: Eine Isolation ist aus Funktions- und Sicherheitsgründen nötig, da Gate-Treiber z.B. in Form einer Halbbrückentopologie mit hohen Busspannungen und Strömen in Berührung kommen. Funktional ist sie notwendig, weil die Ansteuerung der Leistungsschalter i.d.R. aus dem Niederspannungskreis erfolgt.

Die Ansteuerung des oberen Schalters der Halbbrücke wäre aufgrund der Potenzialhebung bei gleichzeitig offenem unteren Schalter so nicht möglich. Zudem sorgt die Isolation im Fehlerfall für eine sichere Trennung des Hochspannungsbereichs vom Steuerkreis, sodass direkten Berühren gefahrlos für den Menschen ist. Isolierte Gate-Treiber haben typische Spannungsfestigkeiten von 5 kVeff.

Störfestigkeit: Industrieanwendungen erfordern eine hohe Immunität bzw. Störfestigkeit gegenüber potenziellen Störquellen. Insbesondere HF-Rauschen, Gleichtakttransienten und magnetische Störfelder sind kritisch, da sie sich u.a. in die Gate-Ansteuerung einkoppeln und zum ungewollten Schalten anregen können. Bei isolierten Gate-Treibern definiert die Gleichtaktunterdrückung die Fähigkeit, Gleichtakttransienten zwischen Eingang und Ausgang zu vermeiden.

Weitere wichtige Parameter sind unter anderem Arbeits- und Versorgungsspannung, Temperatur sowie zusätzlich integrierte Funktionen.

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* Thomas Brand arbeitet als Field Applications Engineer bei Analog Devices, München.

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