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Leistungshalbleiter Gate-Treiber für unterschiedlichste Automotive-Anwendungen

Autor / Redakteur: John Hargenrader * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Verbrennungsmotoren sowie Elektro- und Hybridautos erfordern neue Leistungshalbleiter-Technologien. Speziell für diese Anforderungen entwickelte Gate-Treiber-ICs sind für hohe Ströme ausgelegt.

Anbieter zum Thema

Schulz-Electronic GmbH
EBV Elektronik GmbH & Co. KG
Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.
Fairchild Semiconductor

Leistungsbauteile in Nieder- und Hochspannungsanwendungen im Auto müssen immer höhere Frequenzen unterstützen, unempfindlicher gegenüber Störungen sein und einen höheren Wirkungsgrad erreichen. MOSFET- und IGBT-Bauteile sind heute im Lastmanagement, in Wechselrichtern, Diesel/Benzineinspritzanlagen, Ventilsteuerungen und Motorantrieben zu finden, so dass auch die Nachfrage nach Gate-Treibern mit Automotive-Qualifizierung deutlich gestiegen ist.

Eine neue Generation von Bauteilen für die wichtigsten Fahrzeugkomponenten

Da sich die elektrischen Architekturen der HEV/EV-Fahrzeuge der verschiedenen OEMs immer mehr angleichen, haben die Halbleiterhersteller eine ganz neue Generation von Bauteilen für die wichtigsten Fahrzeugkomponenten entwickelt und diese für die einschlägigen Automobilstandards (AEC Q100 und Q101) qualifiziert. Dadurch sind inzwischen robuste Hochstrom-, Hochspannungs-MOSFETs, IGBTs und Hochspannungs-Gleichrichter sowie die unterstützenden Steuer-ICs für vielfältige Einsatzbereiche verfügbar. Die AECQ100-Gate-Treiberfamilie von Fairchild umfasst verschiedene Hochstrom-Low-Side-, Hochspannungs-ICs (HVIC), High-Side- und HVIC-Halbbrücken (High- und Low-Side-) Gate-Treiber für unterschiedlichste Anwendungen.

Gate-Treiber-ICs für den Betrieb bis +600 V

Die neuesten Produkte des Portfolios der Automotive-Gate-Treiber von Fairchild erweitern die HVIC-Produktlinie im Bereich hoher Ströme für Wechselrichter und Motorantriebe. Die FAN7171_F085 High-Side- und FAN7190_F085 High- und Low-Side-Gate-Treiber ICs sind monolithische Bauteile für einen Betrieb mit bis zu +600 V. Andere gängige Topologien, die verschiedene Typen von Gate-Treibern in Automotive-Systemen benötigen, werden jetzt ebenfalls untersucht.

Ergänzendes zum Thema
Die Gate-Treiber FAN7171 und FAN7190

Im Automotive-Bereich werden Wandler-Designs mit immer höherem Wirkungsgrad, höheren Treiberströmen und größerer Unempfindlichkeit gegen Störungen (zum Einsatz in Hybrid-Elektro- und Elektrofahrzeugen) verlangt.

Fairchild Semiconductor hat speziell für diese Anforderungen den High-Side-Gate-Treiber-IC FAN7171 und High/Low-Side-Gate-Treiber-IC FAN7190 entwickelt, die beide für hohe Ströme ausgelegt sind. Als Teil der Familie von Automotive-Hochvolt-ICs (HVIC) sind die Gate-Treiber FAN7171 und FAN7190 geeignet für DC/DC-Spannungswandler und Wechselrichter von Elektro- und Hybrid-Elektrofahrzeugen sowie für Diesel- und Benzineinspritzanlagen und Ventile, aber auch für MOSFET- und IGBT-High-Side-Treiberanwendungen.

Die HVIC-Bauteile FAN7171 und FAN7190 ermöglichen integrierte Wandlerlösungen mit höherem Wirkungsgrad, mehr Treiberstrom und einer größeren Robustheit für raue Automobil-Anwendungen. FAN7171 ist ein monolithisches High-Side-Gate-Treiber-IC, der schnelle MOSFETs und IGBTs ansteuern kann, die mit bis zu +500 V arbeiten. Dagegen eignet sich der FAN7190 für MOSFETs und IGBTs mit bis zu +600 V.

Leistungsfähigere Treiber ermöglichen Systeme mit höherer Leistung und Leistungseffizienz. Bei beiden Bauteilen besteht die Buffer-Ausgangsstufe komplett aus NMOS-Transistoren, die speziell für Steuerungen mit hohen Impulsströmen und minimale Querströme ausgelegt wurden. Die höhere Störungsimmunität sowie der negative Spannungshub von bis zu -9,8 V bei 15 V VBS verbessern die Design-Zuverlässigkeit.

Low-Side-Gate-Treiber für hohe Ströme

Low-Side Gate-Treiber werden zur Ansteuerung von MOSFETs in einer Source-Schaltung verwendet, die beispielsweise von Piezo-Einspritzdüsen bis hin zu kleinen Wechselrichtern genutzt werden. Es gibt Einfach- und Zweifach-Gate-Treiber mit Standard-Pinout, für verschiedene Logikpegel (CMOS oder TTL), mit und ohne Enable-Schaltungen und zweifachen Logikeingängen. Die Ausgangsstufen der Low-Side-Gate-Treiber für Automotive-Anwendungen von Fairchild nutzen eine MillerDrive-Architektur, die ein bipolares Bauteil parallel zu einem MOSFET enthält (Bild 1). Das bipolare Bauteil ermöglicht einen hohen Spitzenstrom, um den Übergang durch die Miller-Plateau-Region während des Ein- und Ausschaltens zu beschleunigen. Der parallele MOSFET verursacht einen minimalen Spannungsabfall.

Normalerweise werden diese Bauteile als Frontend-MOSFETs in Aufwärtswandlern, MOSFETs und IGBTs in PFC-Frontends für Ladeschaltungen und MOSFETs zur Ansteuerung von Lasten in einer Source-Schaltung eingesetzt.

Die häufigste Topologie für 12 V ist ein Gegentaktwandler

Die zweifachen 2-A- und 4-A-Low-Side-Bauteile sind oftmals in der ersten Stufe von konventionellen AC-Leistungswandlern zu finden, die im Leistungsbereich von 50 bis 500 W mit Frequenzen von 50 bis 250 kHz arbeiten. Die häufigste Topologie, die direkt mit einer 12 V Batteriespannung arbeitet, ist ein Gegentaktwandler. Die Ausgangspannungen liegen normalerweise im Bereich von 170 VDC bis 280 VDC. Zu den weiteren Anwendungsbereichen für Aufwärtswandler mit 200 W und mehr gehören Hochspannungs-Notstromversorgungen für HEV/EVs, die zur Starthilfe für ein liegengebliebenes Fahrzeug dienen und mit einer 12-V-Quelle auskommen.

Kleiner Wechselrichter mit einfachem Gleichrichter am Ausgang

Kleine Wechselrichter nutzen meist einfache Gleichrichter am Ausgang. Um höhere Ausgangsleistungen und einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen, lassen sich die Hochspannungs-Gleichrichter durch synchrone Gleichrichtung ersetzen (Bild 2). Dabei werden die MOSFETs beispielsweise mit einem zweifachen Low-Side-Hochstrom-Gate-Treiber, wie dem FAN3227_F085, angesteuert.

HVIC-Halbbrücken und High-Side-Treiber

Auch HVIC-Treiber mit einem maximalen Ausgangsstrom von unter 1 A werden immer häufiger im Automobil-Bereich eingesetzt. Diese Treiber eignen sich auch für Hochspannungslasten bis 600 V. Sie sind ebenso für Niederspannungslasten mit 12 V oder 24 V wirtschaftlich einsetzbar. Der niedrige Ausgangsstrom mit entsprechenden Gate-Widerstandsnetzwerken kann allerdings bei einer PWM von einigen 100 Hz bis einigen 10 kHz geringe elektromagnetische Ausstrahlungen verursachen.

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