Leistungsschalter 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.

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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. Darin sind Cg = Gate-Kapazität des MOSFETs, Vdd = 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.

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. Darin sind:

• dT = Ein-/Ausschaltzeit
• dV = 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.

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.

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