Gate-Treiber

Als Gate-Treiber (MOSFET-Treiber, IGBT-Treiber oder Halbbrücken-Treiber) bezeichnet man in der Elektronik, speziell der Leistungselektronik, eine diskrete oder integrierte elektronische Schaltung, welche Leistungsschalter, wie beispielsweise MOSFETs oder IGBTs, ansteuert.

Ferner kann ein einfacher Gate-Treiber als eine Kombination aus Pegelumsetzer und Verstärker gesehen werden.

Motivation

Grundsätzlich benötigen Transistoren mit isolierter Gate-Elektrode, wie MOSFETs, im Gegensatz zu Bipolartransistoren, keinen Steuerstrom und können leistungslos angesteuert werden. Die isolierte Gate-Elektrode bildet jedoch im Transistor einen Kondensator (Gate-Kondensator) welcher bei jedem Schaltvorgang des Transistors umgeladen werden muss. Da ein Transistor eine bestimmte Spannung am Gate benötigt um durchzuschalten, muss dieser Kondensator jeweils auf diese Spannung aufgeladen werden. Umgekehrt muss beim Abschalten des Transistors diese Spannung wieder abgebaut werden, also der Kondensator entladen werden.

Wenn ein Transistor umgeschaltet wird, geht dieser nicht schlagartig vom nicht leitenden in den leitenden Zustand über, sondern durchläuft je nach Ladespannung der Gate-Kapazität einen gewissen Widerstandsbereich. Folglich wird während des Umschaltens unter Stromfluss eine gewisse Leistung am Transistor umgesetzt, welche diesen erwärmt. Es liegt also nahe, den Umschaltvorgang des Transistors so kurz wie möglich zu gestalten, um die Schaltverluste so gering wie möglich zu halten.

Zwischen Ladestrom, Ladespannung und Zeit gilt für einen Kondensator folgende Beziehung:

$I = C\frac{\mathrm{d}U}{\mathrm{d}t}$

Da der nötige Spannungshub (Änderung der Gate-Spannung zwischen Ein- und Ausschalten) und die Gate-Kapazität durch den Transistor vorgegeben sind, ist somit die Umschaltzeit des Transistors umso kleiner, je größer der Strom ist, mit dem das Gate angesteuert wird. Die Höhe dieses Umladestromes ist durch Widerstand und Induktivität des Gate-Strompfades begrenzt.

Die Schaltsignale für Transistoren werden in der Regel von Logikschaltungen oder Mikrocontrollern generiert, welche das Signal an Standard-Logikausgängen zu Verfügung stellen. Da diese meist nur Ströme im zweistelligen Milliamperebereich liefern können, werden direkt angeschlossene Leistungstransistoren verhältnismäßig langsam umgeschaltet. Dementsprechend hoch sind die während des Umschaltens auftretenden Verluste. Um dem entgegenzuwirken werden zwischen den Logikausgängen und den Leistungstransistoren Treiberschaltungen verwendet.

Treiberschaltungen

Ansteuerung einzelner Transistoren

Um einzelne Leistungstransistoren schnell umschalten zu können, bieten sich diskrete elektronische Schaltungen oder fertige Treiber-ICs an. Die folgenden diskreten Treiberschaltungen beziehen sich auf das Ansteuern von n-Kanal-Transistoren. Analog dazu können die Treiberschaltungen durch Ändern der Bezugspotenziale auch für p-Kanal-Transistoren eingesetzt werden.

Einfache Treiberschaltung mit Pull-up-Widerstand.

Einfache Treiberschaltung

Die einfachste Form einer Treiberschaltung besteht aus einem Bipolartransistor mit Kollektorwiderstand als Pull-up-Widerstand. Wird am Steuereingang keine Spannung angelegt, so sperrt der Bipolartransistor und das Gate des Leistungstransistors wird durch den Widerstand auf die Betriebsspannung der Treiberschaltung gezogen. Die Gate-Kapazität lädt sich somit über diesen Widerstand auf und der Leistungstransistor beginnt zu leiten. Wird nun am Steuereingang eine Spannung angelegt, so schließt der Bipolartransistor das Gate des Leistungstransistors kurz wodurch dieser zu sperren beginnt.

Der Leistungstransistor wird also über einen Widerstand eingeschaltet und durch Kurzschließen der Gate-Spannung ausgeschaltet. Da der Kurzschlussstrom deutlich höher ist, als der Ladestrom, wird der Transistor schneller aus- als eingeschaltet. Dieses Verhalten kann unter Umständen sogar gewünscht sein, da ein zu schnelles Einschalten des Leistungstransistors eine hohe elektromagnetische Emission zur Folge hat.

Treiberschaltung mit parallel geschalteten Logikgattern.

Logikgatter-Treiberschaltung

Wie bereits erwähnt, liefert ein Logikausgang nur geringe Ausgangsströme. Durch Parallelschalten mehrerer Logikgatten können deren Ausgangsströme addiert werden, wodurch in Summe ein zur Ansteuerung von Leistungstransistoren geeignet hoher Ausgangsstrom fließen kann. Wichtig bei der Parallelschaltung von Logikgatter ist eine steile Signalflanke am Eingang um ein nahezu zeitgleiches Umkippen aller Gatter zu erreichen. Um ein derartiges Signal sicher zu erzeugen, kann eines dieser Gatter vorgeschaltet werden, um das Eingangssignal zu formen. Das Logikgatter kann beispielsweise vom Typ HC4069 sein, um eine höhere Treiberspannung als 5 V zu erreichen.

Die Gegentaktschaltung ermöglicht hohe Treiberströme. Das Widerstands-Diodennetzwerk bestimmt die Schaltzeiten der Endstufe.

Gegentakt-Treiberschaltung

Um noch höhere Ausgangsströme liefern zu können, kann die Treiberschaltung als Gegentaktendstufe ausgeführt werden. Damit die Umschaltzeiten nicht zu klein und damit die elektromagnetische Emission zu groß wird, wird zwischen dem Gate des Leistungstransistors und der Gegentaktendstufe ein Widerstand eingefügt. Durch Parallelschalten einer Widerstands-Diodenkombination, die für den Einschaltvorgang den Gesamtwiderstand reduziert, kann man erreichen, dass der Leistungstransistor schneller ein- als ausschaltet. Schnelles Einschalten verringert Schaltverluste, langsameres Abschalten reduziert Spannungsspitzen durch parasitäre Induktivitäten.

Ansteuerung einer Halbbrücke

Für gewisse Anwendungen ist es nötig, eine Last nicht mit nur einem Leistungstransistor, sondern über eine Halbbrücke zu schalten. Die einfachste Form einer Halbbrücke besteht aus einer Kombination von n-Kanal-Transistor und p-Kanal-Transistor. Für jeden Transistor kann nun eine Treiberschaltung eingesetzt werden, um die Transistoren gegensinnig anzusteuern.

Da p-Kanal-Transistoren in der Regel schlechtere Eigenschaften haben als n-Kanal-Transistoren, werden in der Leistungselektronik ausschließlich Halbbrücken mit n-Kanal-Transistoren aufgebaut. Für die Ansteuerung des high-side-Transistors ergeben sich jedoch Probleme dadurch, dass sich das Potenzial der Steuerspannung am Gate nicht, wie bei Verwendung eines p-Kanal-Transistors an dieser Stelle, auf das positive Potenzial der Versorgungsspannung, sondern auf das mitunter schnell veränderliche Potenzial des Mittelpunkts der Halbbrücke bezieht. Insbesondere wäre der Transistor nicht voll durchzusteuern, wenn das Gate-Potenzial nur bis auf das der Versorgung angehoben werden könnte. Es bedarf einer eigenen Treiberschaltung.

Treiberschaltung mit Bootstrapping

Ansteuerung einer n-Kanal-Halbbrücke durch eine Bootstrapping-Schaltung.

Um den oberen Transistor in einer n-Kanal-Halbbrücke durchschalten zu können, muss zwischen dem Ausgang der Halbbrücke (Verbindungspunkt beider Leistungstransistoren) und dem Gate eine Spannung angelegt werden. Dies kann mit Hilfe einer Bootstrapping-Schaltung geschehen.

Wird am Steuereingang eine Spannung angelegt, so wird der untere Leistungstransistor (langsam) durchgeschaltet. Gleichzeitig wird die Gate-Spannung des oberen Leistungstransistors über den Bipolartransistor und den unteren Leistungstransistor kurzgeschlossen. Am Ausgang der Halbbrücke liegt somit Massepotenzial an, wodurch sich der Kondensator über die Diode auflädt. Wird nun der Steuereingang mit Masse verbunden sperrt nicht nur der untere Leistungstransistor, sondern auch der Bipolartransistor, wodurch sich die Gate-Kapazität des oberen Leistungstransistors über den Widerstand auflädt, zunächst aus der Versorgungsspannung. Wenn die Ausgangsspannung steigt, durch eine induktive Last oder weil der obere Leistungstransistor zu leiten beginnt, pflanzt sich dieser Spannungshub über den Kondensator fort, die Diode sperrt und das Potenzial für die Versorgung des Gates steigt wie gewünscht über das der Versorgungsspannung an.

Da die Versorgungsspannung kurzgeschlossen wird, falls beide Leistungstransistoren zur selben Zeit leiten, ist es wichtig, dass jeweils ein Leistungstransistor sperrt, ehe der andere leitet. Dies wird bei dieser Schaltung durch ungleiche Einschalt- und Ausschaltzeiten der Leistungstransistoren erreicht.

Es ist mit dieser Treiberschaltung nicht möglich, den oberen Leistungstransistor statisch einzuschalten, da der Bootstrap-Kondensator durch Leckströme seine Ladung verliert. Bevor der obere Leistungstransistor aus der Sättigung kommt, muss der untere Leistungstransistor wieder eingeschaltet werden.

Treiberschaltung mit isolierter Versorgungsspannung

Eine andere Möglichkeit, den oberen Leistungstransistor einer n-Kanal-Halbbrücke durchschalten und sogar statisch einschalten zu können, besteht darin, die Treiberstufe galvanisch getrennt zu versorgen, etwa durch einen Schaltwandler oder eine Ladungspumpe. Hierfür gibt es Treiber-ICs, welche die nötige Schaltung zum Großteil bereits integriert haben.

Sonstige Treiberschaltungen

Bei Schaltwandlern kann es nötig sein, die Leistungstransistoren galvanisch getrennt anzusteuern, um die galvanische Trennung des Schaltwandlers zu wahren. Über Transformatoren (Impulstransformatoren) kann bei geeigneter Schaltung der zur Ansteuerung des Leistungstransistors nötige Steuerstrom übertragen werden. Somit ist es nicht nötig, dass die Treiberspannung auf der Sekundärseite eigens erzeugt wird.

Generell gibt es für jede Anwendung eine geeignete integrierte Lösung. Speziell bei Halbbrückentreiber-Chips ergibt sich ein deutlicher Vorteil gegenüber einer diskreten Lösung. Damit die Versorgungsspannung beim Umschalten der Halbbrücke nicht kurzzeitig kurzgeschlossen wird, generieren einige Treiberchips eine Totzeit (Verriegelungszeit). Somit wird sichergestellt, dass zu keiner Zeit beide Transistoren leiten.

Praxis

Speziell bei hohen Strömen treten Spannungsabfälle und Spannungsspitzen an den Masseverbindungen auf. Diese Spannungsdifferenzen führen zu Potenzialunterschieden zwischen der Treiberschaltung und dem Leistungstransistor, wodurch die Steuerspannung am Gate des Leistungstransistors deutlich höher sein kann, als die Versorgungsspannung der Treiberschaltung. Durch zu hohe Spannungen am Gate eines Leistungstransistors können diese zerstört werden. Es ist somit auf eine gute Masseführung zu achten um diese Effekte zu minimieren.

Literatur

• Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik 12. Auflage, Springer, Berlin, Heidelberg, New York, 2002, ISBN 3-540-42849-6
• Ulrich Schlienz: Schaltnetzteile und ihre Peripherie 3. Auflage, Vieweg & Sohn Verlag | GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2007, ISBN 978-3-8348-0239-2

Weblinks

• Erklärung von Treiberschaltungen
• Übersicht von Handelsüblichen Treiberbausteinen
• Jörg Rehrmann, das neue InterNetzteil- und Konverter-Handbuch (viele Anwendungsbeispiele)

Siehe auch

• Leistungstreiber
• Booster (Elektrotechnik)