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Den passenden MOSFET-Treiber finden

Wie gut der MOSFET-Treiber an den MOSFET der jeweiligen Applikation angepasst ist, hängt neben der Verlustleistung maßgeblich vom Treiberspitzenstrom und den damit verbundenen Ein- und Ausschaltzeiten ab. Der Beitrag zeigt unterschiedliche Möglichkeiten auf, wie sich der optimale MOSFET-Treiber auswählen lässt.

Der MOSFET-Treiber wandelt ein Logik-Signal in höhere Spannungen und Ströme um und steuert damit ein MOSFET-Gate mit schnellen Einschwingzeiten an. So können MOSFET-Treiber zum Beispiel eingesetzt werden, um das 5-V-Ausgangssignal eines Mikrocontrollers mit niedrigen Stromstärken in ein Steuersignal von 18 V mit Stromstärken von mehreren Ampère für einen Leistungs-MOSFET-Eingang umzuwandeln.

Da heute unterschiedliche MOSFET-Technologien und Halbleiterprozesse auf Silicium-Basis eingesetzt werden, ist es mitunter schwierig, die passenden MOSFET-Treiber für eine Anwendung zu finden. Für die Auswahl des richtigen MOSFET-Treibers sind grundsätzliche Kenntnisse zur Abhängigkeit der Verlustleistung der Gate-Ladung im MOSFET und der Arbeitsfrequenz wesentlich. So benötigt das Laden und Entladen eines MOSFET-Gates immer die gleiche Energiemenge, unabhängig von den Anstiegs- und Abfallzeiten der Gate-Spannungen.

Verlustleistung von MOSFET-Treibern

Die Verlustleistung eines MOSFET-Treibers wird durch drei Vorgaben bestimmt:

  • Verluste durch Laden- und Entladen der Gate-Kapazität des MOSFETs,
  • Verluste durch den Ruhestrom des MOSFET-Treibers,
  • Verluste durch Kurzschluss durch Überlappen der Einschaltphasen der Transistoren (Cross-Conduction oder Shoot-through) im MOSFET-Treiber.

Von diesen drei Punkten sind die Verluste durch Laden und Entladen der Gate-Kapazität des MOSFETs am wichtigsten, insbesondere bei niedrigen Schaltfrequenzen. Die Verlustleistung ergibt sich gemäß Gleichung 1.

 Gleichung 1
Gleichung 1

Darin sind Cg = Gate-Kapazität des MOSFETs, Udd = Versorgungsspannung des MOSFET-Treibers [V], f = Schaltfrequenz.

Die Bedeutung des Treiberspitzenstroms

Zusätzlich zur Verlustleistung muss der Entwickler den Zusammenhang zwischen dem für den MOSFET-Treiber erforderlichen Treiberspitzenstrom und den damit verbundenen Ein-/Ausschaltzeiten berücksichtigen. Wie gut der MOSFET-Treiber an den MOSFET angepasst ist, hängt davon ab, wie schnell der Leistungs-MOSFET in einer Anwendung ein- und ausgeschaltet wird.

dT = (dU C) / I

Die optimalen Anstiegs- und Abfallzeiten in einer beliebigen Anwendung ergeben sich aus Anforderungen wie elektromagnetische Interferenzen, Schaltverluste, Leitungs- und Schaltungsinduktivitäten und der Schaltfrequenz. Das Verhältnis zwischen Gate-Kapazität, Laufzeiten und Betrag des MOSFET-Treiberstroms ergibt sich aus Gleichung 2.

QG = C V                                (Gleichung 2)

Dann ist I = QG / dT               (Gleichung 3)

Darin sind: dT = Ein-/Ausschaltzeit, dU = Gate-Spannung, C = Gate-Kapazität , I = MOSFET-Treiberspitzenstrom.

Die Gesamtkapazität des MOSFET-Gates lässt sich aus der Gate-Gesamtladung (QG) bestimmen. Die Gate-Ladung QG ergibt sich wiederum aus Gleichung 3. Hierbei wird ein konstanter Strom angenommen. Eine Daumenregel besagt, dass der Durchschnittswert bei der Hälfte des MOSFET-Treiberspitzenstroms liegt. Die elektrischen Werte des MOSFET-Treibers richten sich nach dem möglichen Ausgangsspitzenstrom des Treibers. Der Wert des Spitzenstroms wird üblicherweise für die maximale Vorspannung angegeben. Das heißt, wenn der MOSFET-Treiber bei einer geringeren Vorspannung betrieben wird, dann wird auch der mögliche Spitzenstrom reduziert.

Der erforderliche Treiberspitzenstrom des MOSFETs kann aus den folgenden Parametern aus dem Datenblatt des Herstellers ermittelt werden: MOSFET-Gate-Ladung = 20 nC (Q); MOSFET-Gate-Spannung = 12 V (dV); Ein-/Ausschaltzeit = 40 ns (dT). Werden diese Werte in Gleichung 3 eingesetzt, ergibt sich ein Treiberspitzenstrom von I = 0,5 A.

Annäherung über eine Zeitkonstante

TLadung = (RTreiber + RGate) Cges TC                    (Gleichung 4)

Eine weitere Methode zur Auswahl des passenden MOSFET-Treibers ist die Annäherung über die Zeitkonstante. Darin werden der Widerstand des MOSFET-Treibers, alle externen Gate-Widerstände und die Gesamtkapazität eingesetzt (Gleichung 4). Darin sind: RTreiber = RDS-Ein der Ausgangstreiberstufe, RGate = ein beliebiger externer Gate-Widerstand zwischen Treiber und MOSFET-Gate, Ctotal = Gate-Gesamtkapazität, TC = Anzahl der Zeitkonstanten.

Da diese Gleichung (siehe Beispiel im Bild) eine RC-Zeitkonstante repräsentiert, die für TC einen Wert von 3 annimmt, bedeutet dies, dass die Kapazität nach der Zeit TLadung zu 95% geladen ist. Die meisten MOSFETs sind voll leitend, sobald die Spannung am Gate 6 V erreicht. Auf dieser Grundlage kann ein TC-Wert von 1 (entsprechend 63% der Ladespannung) für die Anwendung bereits sinnvoller sein und erlaubt den Einsatz eines Treiber-ICs für niedrigeren Strom.

Auswahl eines MOSFET-Treibers für Motorregelungen

Als Beispiel soll die Auswahl eines MOSFET-Treibers zur Regelung der Drehzahl und Drehrichtung eines Motors betrachtet werden. In dieser Anwendung wird die Motorspannung entsprechend beeinflusst. Die Schaltung des Gate-Treibers wird hier grundsätzlich durch den Motortyp, die Anordnung der Leistungsschalter und die Schaltelemente bestimmt.

Der erste Schritt besteht darin, den richtigen Leistungsschalter für diese Anwendung auszuwählen, dessen Eigenschaften wiederum durch die technischen Daten des Motors bestimmt werden. Ein wichtiger Parameter ist der Anlaufstrom, der bis zu dreimal höher sein kann als der Strom im Dauerbetrieb.

Zum Steuern von Motoren werden im Wesentlichen zwei unterschiedliche Leistungsschalter eingesetzt – MOSFETs und IGBTs. Bei einem MOSFET lassen sich die Eigenschaften des MOSFET-Treibers für die Gate-Ansteuerung bestimmen.

 Bild 1: Blockdiagramm einer MOSFET-Treiberschaltung (TC4451= Q1, TC4452 = Q2)
Bild 1: Blockdiagramm einer MOSFET-Treiberschaltung (TC4451= Q1, TC4452 = Q2)

Wie in Bild 1 zu sehen ist, wandelt die Eingangsstufe der Schaltung das eingespeiste Kleinsignal in ein Großsignal mit der Amplitude GND- Udd um, das die kaskadierten Treiberstufen ein- und ausschaltet. Die MOSFETs Q1 und Q2 stellen die Pull-up- und Pull-down-Ausgangstreiber für den MOSFET-Treiber dar. Betrachtet man die Ausgangsstufe des MOSFET-Treibers als Push-Pull-Paar von MOSFETs, ist ihre Funktion einfacher zu verstehen.

Nicht invertierender Treiber

Für einen nicht invertierenden Treiber gilt, das gemeinsame Gate-Signal wird von Q1 und Q2 auf „Low“ gesetzt, wenn das Eingangssignal auf „High“liegt. Der Übergang dieses Gate-Knotens von Udd nach GND geschieht typischerweise in weniger als 10 ns. Er begrenzt so die Zeit für die Cross-Conduction zwischen Q1 und Q2 – d.h., die Zeit, in der sich die Einschaltphasen überlappen und einen Kurzschluss bilden – und schaltet Q1 sofort voll durch, um den Spitzenstrom so schnell wie möglich zu erreichen.

Für die Schaltungskonfiguration von MOSFET-Treibern gibt es natürlich auch andere Möglichkeiten. Sind Motor, Leistungsschalter und Gate-Treiberschaltung bekannt, kann der MOSFET-Treiber anhand einer der oben genannten Gleichungen 3 oder 4 ausgewählt werden.

Auswahl des MOSFET-Treibers mithilfe einer Berechnungstabelle

Sobald der MOSFET ausgewählt ist, kann eine Berechnungstabelle des Herstellers zu Rate gezogen werden, um den entsprechenden MOSFET-Treiber auszuwählen. Hierfür ist unter anderem der „Power MOSFET Driver Calculator“ von Microchip geeignet. Mit diesem einfachen Werkzeug lässt sich der für den MOSFET-Treiber erforderliche Spitzenstrom schnell bestimmen.

Als erstes wählt man einen MOSFET aus. Aus dem Datenblatt übernimmt man die Werte für die Eingangskonditionen – die Drain-Source-Spannung (Uds) des MOSFETs, die Gate-Source-Spannung (Ugs), die MOSFET-Treiberspannung (Udd), Schaltfrequenz, Tastverhältnis, ungefähre Anstiegszeit (tr) und die Gesamt-Gate-Ladung (QG) – und trägt sie in die entsprechenden Felder ein.

Nun wird der Spitzenstrom IPK des MOSFET-Treibers bestimmt. Anhand des IPK wird der am besten passende und preisgünstigste MOSFET-Treiber ausgesucht. Nachdem der gewählte MOSFET-Treiber gefunden ist, berechnet das Tool die Verlustleistung und die maximal zulässige Umgebungstemperatur ohne Kühlkörper.

Weitere Gesichtspunkte bei der Auswahl

Zwei weitere wesentliche Gesichtspunkte müssen bei der Auswahl des korrekten MOSFET-Treibers für eine Anwendung beachtet werden. Diese beziehen sich zum Einen auf die Leistungsaufnahme abhängig vom Gehäuse und der Umgebungstemperatur. Zum Zweiten muss der vom MOSFET-Treiber geforderte Spitzenstrom aus der Gate-Gesamtladung des Leistungs-MOSFET berechnet werden. Mithilfe einfacher Berechnungstabellen und Gleichungen, wie oben beschrieben, lässt sich der MOSFET-Treiber, der für die eigene Anwendung geeignet ist, dann schnell bestimmen.