Stücklistenangebot Elektronische Komponenten Treiber-IC-Chip IR2103STRPBF

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Gate-Treiber

Ein Gate-Treiber ist ein Leistungsverstärker, der einen Niederleistungseingang von einem Controller-IC akzeptiert und einen Hochstrom-Ansteuereingang für das Gate eines Hochleistungstransistors wie eines IGBT oder Leistungs-MOSFET erzeugt.Gate-Treiber können entweder auf dem Chip oder als diskretes Modul bereitgestellt werden.Im Wesentlichen besteht ein Gate-Treiber aus einem Pegelumsetzer in Kombination mit einem Verstärker.Ein Gate-Treiber-IC dient als Schnittstelle zwischen Steuersignalen (digitale oder analoge Controller) und Leistungsschaltern (IGBTs, MOSFETs, SiC-MOSFETs und GaN-HEMTs).Eine integrierte Gate-Treiberlösung reduziert die Komplexität des Designs, die Entwicklungszeit, die Stückliste (BOM) und den Platinenplatz und verbessert gleichzeitig die Zuverlässigkeit gegenüber diskret implementierten Gate-Treiberlösungen.

Geschichte

Im Jahr 1989 stellte International Rectifier (IR) das erste monolithische HVIC-Gate-Treiberprodukt vor. Die HVIC-Technologie (High-Voltage Integrated Circuit) verwendet patentierte und proprietäre monolithische Strukturen, die Bipolar-, CMOS- und laterale DMOS-Geräte mit Durchbruchspannungen über 700 V und 1400 V integrieren V für Betriebsoffsetspannungen von 600 V und 1200 V.[2]

Mit dieser Mixed-Signal-HVIC-Technologie können sowohl Hochspannungs-Pegelverschiebungsschaltungen als auch analoge und digitale Niederspannungsschaltungen implementiert werden.Mit der Möglichkeit, Hochspannungsschaltkreise (in einem „Well“, der aus Polysiliziumringen besteht) zu platzieren, die 600 V oder 1200 V „schweben“ können, auf demselben Silizium, entfernt vom Rest der Niederspannungsschaltkreise, auf der High-Side Leistungs-MOSFETs oder IGBTs gibt es in vielen gängigen Offline-Schaltungstopologien wie Buck, synchroner Boost, Halbbrücke, Vollbrücke und dreiphasig.Die HVIC-Gate-Treiber mit schwebenden Schaltern eignen sich gut für Topologien, die High-Side-, Halbbrücken- und Dreiphasenkonfigurationen erfordern.[3]

Zweck

Im Kontrast zuBipolartransistorenMOSFETs benötigen keine konstante Leistungsaufnahme, solange sie nicht ein- oder ausgeschaltet werden.Die isolierte Gate-Elektrode des MOSFET bildet eineKondensator(Gate-Kondensator), der bei jedem Ein- oder Ausschalten des MOSFET geladen bzw. entladen werden muss.Da ein Transistor zum Einschalten eine bestimmte Gate-Spannung benötigt, muss der Gate-Kondensator mindestens auf die erforderliche Gate-Spannung aufgeladen werden, damit der Transistor eingeschaltet wird.Um den Transistor auszuschalten, muss diese Ladung ebenfalls abgeführt werden, dh der Gate-Kondensator muss entladen werden.

Wenn ein Transistor ein- oder ausgeschaltet wird, wechselt er nicht sofort vom nichtleitenden in den leitenden Zustand;und kann vorübergehend sowohl eine hohe Spannung unterstützen als auch einen hohen Strom leiten.Wenn daher ein Gate-Strom an einen Transistor angelegt wird, um ihn zum Schalten zu veranlassen, wird eine gewisse Wärmemenge erzeugt, die in manchen Fällen ausreichen kann, um den Transistor zu zerstören.Daher ist es notwendig, die Schaltzeit so kurz wie möglich zu halten, um sie zu minimierenSchaltverlust[de].Typische Schaltzeiten liegen im Mikrosekundenbereich.Die Schaltzeit eines Transistors ist umgekehrt proportional zur HöheaktuellWird verwendet, um das Tor aufzuladen.Daher sind oft Schaltströme im Bereich von mehreren Hundert erforderlichMilliampere, oder sogar im Bereich vonAmpere.Für typische Gate-Spannungen von etwa 10–15 V mehrereWattMöglicherweise ist zum Antrieb des Schalters eine gewisse Leistung erforderlich.Wenn große Ströme mit hohen Frequenzen geschaltet werden, z. B. inDC-DC-Wandleroder großElektromotorenManchmal werden mehrere Transistoren parallel geschaltet, um ausreichend hohe Schaltströme und Schaltleistungen bereitzustellen.

Das Schaltsignal für einen Transistor wird normalerweise von einer Logikschaltung oder einem anderen erzeugtMikrocontroller, der ein Ausgangssignal liefert, das typischerweise auf einige Milliampere Strom begrenzt ist.Folglich würde ein Transistor, der direkt von einem solchen Signal angesteuert wird, sehr langsam schalten, mit entsprechend hoher Verlustleistung.Beim Schalten kann der Gate-Kondensator des Transistors so schnell Strom ziehen, dass es zu einer Stromüberschreitung in der Logikschaltung oder im Mikrocontroller kommt, was zu einer Überhitzung führt, die zu dauerhaften Schäden oder sogar zur vollständigen Zerstörung des Chips führt.Um dies zu verhindern, ist zwischen dem Ausgangssignal des Mikrocontrollers und dem Leistungstransistor ein Gate-Treiber vorgesehen.

Ladepumpenwerden häufig verwendetH-Brückenin High-Side-Treibern zur Gate-Ansteuerung des High-Side-n-KanalsLeistungs-MOSFETsUndIGBTs.Diese Geräte werden aufgrund ihrer guten Leistung verwendet, erfordern jedoch eine Gate-Treiberspannung, die einige Volt über der Stromschiene liegt.Wenn die Mitte einer Halbbrücke auf Low geht, wird der Kondensator über eine Diode aufgeladen, und diese Ladung wird verwendet, um später das Gate des High-Side-FET-Gates einige Volt über die Spannung des Source- oder Emitter-Pins zu treiben, um es einzuschalten.Diese Strategie funktioniert gut, vorausgesetzt, die Brücke wird regelmäßig geschaltet und vermeidet die Komplexität des Betriebs einer separaten Stromversorgung und ermöglicht die Verwendung der effizienteren n-Kanal-Geräte sowohl für High- als auch für Low-Switches.