Automobiltechnik Ansteuerung von Hochspannungs-MOSFETs

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Automobil- und Industriesysteme setzen zunehmend auf Hochspannungsarchitekturen. Elektronische Systeme in Fahrzeugen arbeiten mittlerweile mit 400 V, wobei 800-V-Plattformen bei Elektrofahrzeugen der nächsten Generation an Bedeutung gewinnen.

Mit steigenden Betriebsspannungen wächst auch der Bedarf an Hochspannungsschaltverfahren, die die entscheidende elektrische Isolierung zwischen Niederspannungs-Steuerschaltungen und Hochspannungs-Leistungsstufen zuverlässig aufrechterhalten.

Mechanische Relais sind seit langem eine weit verbreitete Lösung für viele Hochspannungsschaltanwendungen, da sie eine galvanische Trennung gewährleisten und gleichzeitig erhebliche Lasten bewältigen können. Allerdings weisen diese Komponenten auch einige bekannte Einschränkungen auf, darunter Kontaktverschleiß, Lichtbogenbildung, Geräuschentwicklung im Betrieb und eine begrenzte Schaltlebensdauer. Aus diesem Grund greifen Entwickler zunehmend auf Halbleiterrelais (SSRs) zurück.

SSRs beseitigen die Probleme ihrer mechanischen Pendants, indem sie mechanische Kontakte durch Halbleiterschalter - in der Regel Leistungs-MOSFETs - ersetzen. MOSFET-basierte Halbleiterrelais bringen jedoch eine andere Herausforderung mit sich: die Gate-Ansteuerung. Um einen High-Side- oder Back-to-Back-MOSFET über eine Isolationsbarriere hinweg zu schalten, müssen Entwickler eine Gate-Spannung vorsehen, die auf die Quelle des MOSFET und nicht auf die Masse des Controllers bezogen ist.

Die gängige Lösung besteht aus einem isolierten Gate-Treiber in Kombination mit einer separaten, isolierten Stromversorgung auf der Sekundärseite. Dieser Ansatz ist zwar effektiv, verursacht jedoch zusätzliche Kosten und erhöht die Anzahl der Bauteile, beansprucht Platz auf der Leiterplatte und erhöht die Komplexität des Designs, insbesondere bei Designs mit mehreren Schaltkanälen.

Ein Optokoppler mit Photovoltaik-Ausgang bietet einen anderen Ansatz. Anstatt lediglich ein Steuersignal über eine Isolationsbarriere zu übertragen, erzeugt es die Gate-Ansteuerspannung direkt auf der isolierten Seite, wodurch eine separate isolierte Vorspannungsversorgung überflüssig wird. Toshiba bietet ein solches Bauteil an, das für MOSFET-Schaltanwendungen im Automobil- und Industriebereich konzipiert ist.

Einfache MOSFET-Gate-Ansteuerung

Der TLX9920 von Toshiba ist ein Optokoppler mit photovoltaischem Ausgang, der eine galvanisch getrennte Gate-Ansteuerspannung für externe Leistungs-MOSFETs liefert. Im Gegensatz zu herkömmlichen Optokopplern, die lediglich ein Steuersignal über eine Isolationsbarriere übertragen, erzeugt das Bauteil die Gate-Ansteuerspannung. Im Inneren des TLX9920 strahlt eine Infrarot-LED auf eine Reihe von in Reihe geschalteten Fotodioden. Wenn die LED mit Strom versorgt wird, erzeugen die Fotodioden eine Gleichspannung - ähnlich wie eine Solarzelle Licht in elektrische Energie umwandelt. Diese Spannung kann dann zum direkten Laden des Gates eines MOSFETs verwendet werden, wodurch das Bauteil eine isolierte Gate-Ansteuerung ermöglicht, ohne dass eine zweite Stromversorgung erforderlich ist.

Der TLX9920 (Bild 1) erzeugt bei einem Eingangsstrom von 10 mA eine Mindest-Leerlaufspannung von 13,5 V und liefert damit eine ausreichende Gate-Ansteuerspannung für viele Leistungs-MOSFETs, die in Halbleiterrelais-Schaltungen zum Einsatz kommen. Da die Spannung intern erzeugt wird, kann bei dieser Architektur auf die isolierte Vorspannungsschiene und die zugehörige Schaltung verzichtet werden, die bei herkömmlichen Lösungen mit isoliertem Gate-Treiber üblicherweise erforderlich sind, wodurch die Anzahl der Bauteile weiter reduziert und das Leiterplattenlayout vereinfacht wird.

Toshiba hat zudem einen der klassischen Nachteile von Photovoltaik-Kopplern behoben. Der TLX9920 verfügt über eine Steuerungsschaltung auf der Empfängerseite, wodurch kein externer Entladewiderstand erforderlich ist und die Schaltleistung verbessert wird. Dadurch erreicht die Komponente typische Ein- und Ausschaltzeiten von 0,6 ms bzw. 0,1 ms.

Zwar sind diese Schaltgeschwindigkeiten nicht für Anwendungen im Bereich der Hochfrequenz-Leistungsumwandlung vorgesehen, doch eignen sie sich gut für relaisähnliche Schaltaufgaben, bei denen Isolation, Einfachheit und Zuverlässigkeit oft wichtiger sind als die Schaltgeschwindigkeit.

Die Architektur der Komponente bietet Entwicklern zudem mehr Flexibilität als eigenständige Fotorelais. Da der TLX9920 externe MOSFETs ansteuert, können Ingenieure die Schaltbauelemente anhand der Nennspannung, der Strombelastbarkeit, des RDS(on), der thermischen Leistung oder der Systemtopologie auswählen. Dies ermöglicht den Bau von Halbleiterrelais, die höhere Spannungen und Ströme verarbeiten können als viele integrierte Fotorelais. Es erweist sich insbesondere in Back-to-Back-MOSFET-Konfigurationen als nützlich, die üblicherweise für die bidirektionale Sperrung und Schaltung in Automobil- und Industriesystemen verwendet werden.

Der TLX9920 ist in einem flachen SO6L-Gehäuse mit den Abmessungen 3,84 mm × 10,0 mm × 2,1 mm untergebracht und bietet eine Mindestisolationsspannung von 5000 V(eff) sowie eine Kriechstrecke von mehr als 8 mm. Diese Eigenschaften tragen dazu bei, die Anforderungen an eine verstärkte Isolierung zu erfüllen, die häufig in Systemen mit 400 V und mehr vorkommen.

Für Anwendungen in der Automobilindustrie ist das Bauteil nach AEC-Q101 zertifiziert und unterstützt Betriebstemperaturen von bis zu 125 °C (absolutes Maximum), wodurch es sich für anspruchsvolle Umgebungen wie Batteriemanagementsysteme, Bordladegeräte und Hochspannungs-Stromverteilungsarchitekturen eignet.

Fazit

Da sich Automobil- und Industriesysteme zunehmend in Richtung Hochspannungsarchitekturen entwickeln, bieten photovoltaisch betriebene Optokoppler wie der TLX9920 von Toshiba Entwicklern eine praktische Möglichkeit, Leistungs-MOSFETs über Isolationsbarrieren hinweg anzusteuern, ohne unnötige Komponenten oder Komplexität hinzuzufügen. Der TLX9920 vereint galvanische Trennung und Gate-Spannungserzeugung in einem einzigen Gehäuse und trägt so zur Vereinfachung von MOSFET-basierten SSR-Schaltungen bei, da keine separate, isolierte Gate-Ansteuerungsversorgung mehr erforderlich ist. Für Anwendungen, bei denen Isolation, Einfachheit und Flexibilität bei der Auslegung im Vordergrund stehen, bietet es eine effektive Alternative zu komplexeren Ansätzen mit isoliertem Gate-Treiber. (mr)

* Rolf Horn ist Applikationsingenieur bei DigiKey.

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