Grundlagen zur Implementierung isolierter Halbbrückentreiber

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Kompaktere Lösung durch digitale Isolatoren

Weil beim digitalen Isolator die LED bzw. der Optokopplern entfällt (Bild 5), gibt es auch keine damit verbundenen Alterungsprobleme; zudem wird weniger Energie verbraucht bei höherer Zuverlässigkeit. Die galvanische Isolation besteht zwischen Ein- und Ausgang und zwischen den Ausgängen selbst. So kommen Interaktionen zwischen der High- und Low-Side nicht zustande. Die Ausgangstreiber haben eine niedrige Impedanz, was die Übertragungsverluste reduziert, sowie kurze Schaltzeiten, um die Schaltverluste zu begrenzen.

Gegenüber dem Optokoppler-Design sind die High- und Low-Side-Digital-Isolatoren integrierte Schaltkreise mit aufeinander abgestimmten Ausgängen für höhere Effizienz. Der High-Voltage-Gatetreiber-IC aus Bild 1 hat eine zusätzliche Laufzeitverzögerung in der Pegelanpassungsschaltung verursacht, weshalb keine abgestimmte Kanal/Kanal-Timing-Charakteristik möglich ist. Das ist beim digitalen Isolator nicht der Fall. Weil die Gatetreiber in die digitalen Isolatoren integriert sind, schrumpfen die Abmessungen der Gesamtlösung auf einen platzsparenden Single-Chip.

Immunität gegen Gleichtakttransienten

In vielen Anwendungen von Halbbrückentreibern für Hochvolt-Stromversorgungen können die Schaltelemente mit sehr schnellen Transienten beaufschlagt werden. Falls bei diesen Applikationen durch ein großes dV/dt kapazitiv über eine Isolationsstrecke einkoppelt wird, können diese Logik-Übertragungsfehler verursachen. In einer isolierten Halbbrückentreiber-Applikation könnte das beide Schalter gleichzeitig einschalten und sie zerstören.

Jede parasitäre Kapazität über die Isolationsstrecke neigt dazu, ein Kopplungspfad für Gleichtakttransienten zu sein. Optokoppler müssen sehr empfindliche Empfänger haben, um die kleine Menge an Licht, welches über die Isolationsstrecke übertragen wird, zu erfassen. Ihre Ausgänge können daher durch große Gleichtakttransienten beeinträchtigt werden.

Die Empfindlichkeit der Optokoppler gegenüber Gleichtaktspannungstransienten kann beeinflusst werden, indem eine Abschirmung zwischen LED und Empfänger angebracht wird. So sind die meisten Optokoppler-Gatetreiber beschaffen. Diese Abschirmung kann die Immunität gegenüber Gleichtaktspannungstransienten (CMTI) erhöhen – von einem Standard-Optokoppler mit unter 10 kV/µs auf bis zu 25 kV/µs für einen Optokoppler-Gatetreiber. Für viele Gatetreiber-Applikationen kann ein CMTI von 25 kV/µs ausreichend sein. Für Stromversorgungen mit großen Transientenspannungen und für Photovoltaik-Wechselrichterapplikationen jedoch kann ein CMTI von 50 kV/µs oder mehr erforderlich werden.

Digitale Isolatoren können größere Signale an ihre Empfänger liefern und sehr hohe Gleichtakttransienten ohne Datenfehler verkraften. Trafo-basierte Isolatoren sind Bausteine mit vier Anschlüssen und bieten eine niedrige differenzielle Impedanz zum Signal sowie eine hohe Gleichtaktimpedanz gegenüber Rauschen, was ein ausgezeichnetes CMTI bewirken kann. Andere digitale Isolatoren nutzen vielleicht eine kapazitive Kopplung, um ein wechselndes elektrisches Feld zu erzeugen und Daten über die Isolationsstrecke zu übertragen.

Gegenüber Transformator-basierten Isolatoren ist der Kondensator-basierte Isolator ein Bauteil mit zwei Anschlüssen, und das Rauschen sowie das Signal teilen sich den gleichen Übertragungspfad. Bei einem Bauteil mit zwei Anschlüssen müssen die Signalfrequenzen deutlich über der erwarteten Frequenz des Rauschens liegen, damit die Kapazität der Isolationsstrecke eine niedrige Impedanz für das Signal und eine hohe Impedanz für das Rauschen besitzt.

Wenn der Pegel des Gleichtaktrauschens so groß wird, dass er das Signal übersteigt, kann das einen Datenfehler am Isolatorausgang bewirken. Ein solches Fehlverhalten an einem Kondensator-basierten Isolator zeigt das Bild 6: Der Ausgang (zum Beispiel Kanal 4) fällt aufgrund einer Gleichtakttransiente von nur 10 kV/µs für 6 ns auf low. Hinweis: Dieses Beispiel gilt für den unteren Schwellwert, bei dem der Kondensator-basierte Isolator beeinträchtigt wird.

Bei größeren Transienten sind auch die Störeinflüsse größer und die Beeinträchtigung dauert länger an. Dies kann zu einem unstabilen Schalten des MOSFETs führen. Im Gegensatz dazu hat sich bei Transformator-basierten digitalen Isolatoren gezeigt, dass sie Gleichtakttransienten von über 100 kV/µs verkraften ohne Beeinträchtigung der Daten am Ausgang.

Es ist festzustellen, dass sich der Transformator-basierte digitale Isolator in isolierten Halbbrückentreiberapplikationen gegenüber Optokoppler- und Pulsetransformator-basierten Designs als Lösung mit einigen Vorteilen erwiesen hat. Die Abmessungen der resultierenden Lösung und die Designkomplexität werden durch Integration wesentlich reduziert. Auch ergibt sich eine deutlich bessere Timing-Performance. Zudem wird die Robustheit verbessert, und zwar durch die galvanische Isolation der Ausgangstreiber und durch ein höheres CMTI (Referenz: Technischer Artikel „Common Mode Transient Immunity“ von Chris Coughlin).

* Brian Kennedy ist Applikationsingenieur in der Digital Isolator Group bei Analog Devices, Norwood, Massachusetts /USA.

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