Pegelumsetzer
MOSFET- und IGBT-Treiber
Häufig besteht der Bedarf, Leistungs-MOSFETs oder sogar IGBTs direkt
aus einer mit 5 Volt betriebenen Logikschaltung anzusteuern.
Für solche Anwendungen gibt es spezielle Logik-Level-MOSFETs,
die sich durch eine sehr niedrige Schwellenspannung und dadurch auszeichnen,
dass sie bei einer Gate-Source-Spannung ab 5 Volt bereits voll durchschalten.
Leider gibt es solche Logik-Level-MOSFETs nur für Sperrspannungen
bis ca. 200 Volt.
Bei höheren Sperrspannungen oder bei Verwendung von IGBTs
ist eine höhere Gate-Steuerspannung unvermeidlich.
Dafür gibt es eine reichhaltige Auswahl von Gate-Treiber-ICs.
Manchmal lohnt es sich aber nicht, solche ICs einzusetzen.
Wie in den folgenden Bildern zu sehen ist, lassen sich
einfache Gate-Treiber auch mit geringem Aufwand diskret aufbauen:

Auf dem linken Bild ist ein nichtinvertierender statischer
Level-Shifter zu sehen.
Bei Low-Pegel liegt der Emitter von T1 auf
Masse und T1 wird über R1 durchgeschaltet, sodass auch das Gate von T2
auf Masse liegt.
Geht der Logik-Pegel auf 5 Volt, liegen Basis und Emitter von T1 auf 5 Volt.
T1 sperrt und das Gate von T2 kann sich über R2 auf z. B. 12 Volt aufladen.
I.d.R. wird man diese Schaltung nicht einsetzen, wenn es auf schnelle
Umladung des Gates von T2 bei hohen Schaltfrequenzen ankommt.
Der Gatestrom wird vor allem durch den
Logik-Treiber und den Widerstand R2 begrenzt.
Schwieriger wird es, wenn außer den 5 Volt keine weitere Versorgungsspannung
zur Verfügung steht, um den Gate-Treiber zu versorgen.
Wenn nur ein MOSFET angesteuert werden soll, lohnt es sich
auch nicht, einen Spannungswandler (z. B. Ladungspumpe) aufzubauen.
Wie im rechten Bild zu sehen ist, gibt es auch in solchen Fällen eine
einfache Lösung für mäßige Schaltgeschwindigkeiten.
Bei Nullpegel wird der Bootstrap-Kondensator C über D
auf etwas weniger als 5 Volt aufgeladen.
Bei High-Pegel addiert sich diese Spannung zu den 5 Volt
des Logik-Treibers.
Das Gate des MOSFETs kann sich dann über R2 auf fast 10 Volt aufladen,
was zur Ansteuerung der meisten MOSFETs ausreicht.
Leider funktioniert das nicht im statischen Betrieb.
Da sich C aber nicht weiter entladen kann,
sind auch lange Einschaltzeiten möglich.
Natürlich muss der MOSFET einmal ausgeschaltet gewesen sein,
damit sich C aufladen konnte.
Ansteuerung für Hochspannungs-MOSFET-Schalter
Manchmal sollen auch hohe Spannungen mit Halbleitern
geschaltet werden.
Marktübliche MOSFETs bekommt man für bis zu 1500 Volt Sperrspannung,
bipolare Transistoren und IGBTs auch für etwas höhere Spannungen.
Sollen aber z. B. 4500 Volt geschaltet werden,
sind marktübliche Halbleiter hoffnungslos überfordert.
Dazu lassen sich aber MOSFETs sehr gut in Serie schalten.
Wegen ihrer Avalanche-Charakteristik teilt sich die Spannung
bei Serienschaltung relativ gleichmäßig auf die Einzeltransistoren auf.
Trotz der hohen Spannung lassen sich die MOSFETs relativ einfach ansteuern,
wie in folgendem Schaltbild zu sehen ist:

Das eigentliche Steuersignal wird nur auf den untersten MOSFET T3
geschaltet, dessen Source mit der Schaltungsmasse verbunden ist.
Wird T3 durchgeschaltet, liegt auch der Source von T4 auf Masse und bekommt
über D4 und D5 eine Gatespannung.
Dadurch schaltet auch T4 durch und legt wiederum den Source von T5 auf Masse,
sodass auch dieser über D1, D2 und D3 eine Gatespannung bekommt
und ebenfalls durchschaltet.
Wird T3 über das Steuersignal gesperrt, steigt dessen Drainspannung
soweit an, dass D1, D2 und D4 sperren und keine Gatespannung mehr für
T4 und T5 liefern können.
Über die Widerstände R1 und R2 werden dann die Transistoren
T1 und T2 durchgeschaltet und die Gates von T4 und T5 zügig entladen.
Wenn T3 sperrt, sperren also auch T4 und T5.
Jetzt können bis zu 4500 Volt bezüglich Schaltungsmasse
am Drain von T5 liegen.
Zu beachten ist, dass keine zu hohen Ströme geschaltet werden
sollten, da der Spannungsabfall an den T3 und T4 den nachgeschalteten
Transistoren an Gatespannung verloren geht.
Außerdem muss auch der Spannungsanstieg begrenzt werden.
Da die Transistoren nicht genau zur gleichen Zeit schalten,
könnte der Transistor, der am schnellsten abschaltet,
in diesem Fall sicher T3, über einen bestimmten Zeitraum
eine zu hohe Spannung abbekommen, während T4 und T5 noch leitend sind.
In gewissen Grenzen kann T3 diese Energie abfangen.
Passiert das jedoch mit hoher Schaltfrequenz,
kann dies zur Überhitzung von T3 führen.
Natürlich würde die Schaltung auch zweistufig funktionieren.
Dann würde T5 und dessen Ansteuerung wegfallen.
Theoretisch kann man aber auch beliebig viele Stufen nachschalten,
um noch viel höhere Spannungen schalten zu können.
Zu beachten ist nur, dass auch die letzte Stufe bei
maximalem Laststrom noch genügend Gate-Source-Spannung bekommt.
Die Dioden für die Gatespannungszuführung (hier D1, D2 und D4)
müssen die maximale Sourcespannung des jeweiligen Transistors
gegen Schaltungsmasse sperren können.
Für T4 reicht eine Diode mit min. 1500 V Sperrspannung.
Für T5 müssen bereits zwei dieser Dioden in Serie geschaltet werden.
Dabei ist zu beachten, dass nur Avalanche-Dioden
ohne weitere Beschaltung in Serie geschaltet werden dürfen.
Ansteuerung und Schutzschaltung mit GDTs
Trotz der Vielzahl integrierter Gate-Treiber hat auch der GDT
(Gate Drive Transformer) noch seine Existenzberechtigung.
Insbesondere bei hohen Wandlerleistungen > 1kW
ist eine vollständige galvanische Trennung
von Last- und Steuerkreis wünschenswert bzw. notwendig.
Eine übliche Lösung dafür besteht in der Verwendung von speziellen
Optokopplern mit eingebauten Gatetreibern.
Diese müssen dann allerdings für jeden Schalter auf der Lastseite
mit einem trennenden DC-DC-Wandler versorgt werden.
Eine solche Lösung macht z. B. Sinn, wenn statisch oder
mit langer Einschaltdauer geschaltet werden soll.
Es gibt auch fertige Hybrid-Module mit Schutzschaltung
zur galvanisch getrennten Ansteuerung mehrerer Brückenzweige.
Diese sind allerdings recht teuer und verlangen
vom Entwickler eine gewisse Einarbeitungszeit.
Je nach Wandlertopologie vereinfacht sich die Ansteuerung der Gates
durch einen GDT aber erheblich.
Gegentaktwandler mit Halb- oder Vollbrücke werden i. d. R. mit
einem symmetrischen Steuersignal angesteuert.
In solchen Fällen bietet sich die Verwendung eines GDTs an.
Ein symmetrisches Steuersignal gewährleistet eine symmetrische
Magnetisierung des Übertragerkernes ohne das Risiko einer Kernsättigung.
Wie das folgende Beispiel zeigt,
lässt sich mit einem GDT nicht nur die Ansteuerung sehr einfach lösen
sondern auch eine einfache und wirksame Schutzschaltung:

Die eigentliche Funktion des GDT besteht darin, das Steuersignal des
Gatetreibers auf der Niederspannungsseite 1:1 und mit Bezugspegel der
Drain- bzw. Emitterleitung auf die Gateleitung zu transformieren.
Bei der Ansteuerung von Wandlern hoher Leistung ist ein Überlastungsschutz
besonders wichtig.
Häufig wird dazu in den Lastkreis ein Stromwandler eingesetzt,
dessen Signal von der Schutzschaltung in der Steuerelektronik ausgewertet wird.
Auch diese Funktion kann über den GDT sehr einfach verwirklicht werden:
Die D-S- bzw. C-E-Strecke des Transistors dient dabei quasi als Messshunt.
MOSFETs verhalten sich im eingeschalteten Zustand
zunächst wie ein ohmscher Widerstand.
Steigt der Strom über die Sättigungsgrenze an,
wird der dynamische Widerstand der D-S-Strecke sehr groß
und die D-S-Spannung steigt stark an.
Ähnlich verhalten sich auch IGBTs.
Einige IGBTs, insbesondere diejenigen für höhere Leistung
sind sogar kurzschlussfest.
Das bedeutet natürlich nicht,
dass man auf die Schutzschaltung verzichten kann.
Vielmehr kommt es bei diesen IGBTs bei Überschreitung eines bestimmten
Sättigungsstromes, der quasi eine Strombegrenzung darstellt,
zu einem Spannungsanstieg an der C-E-Strecke.
Die IGBTs überleben eine solche Attacke, obwohl die volle Betriebsspannung
anliegt, während der maximale Strom fließt und so eine extrem hohe
Verlustleistung im Transistor produziert.
Allerdings müssen die IGBTs dann
i. d. R. nach spätestens 5–10 µs abgeschaltet werden.
So viel Zeit bleibt also der Schutzschaltung,
eine Überlastung zu erkennen und die Transistoren abzuschalten.
Überwacht man nun im eingeschalteten Zustand der Transistoren
die D-S- bzw. C-E-Spannung, kann man diese Spannung dazu nutzen,
eine Überlastung zu erkennen.
Das hört sich zunächst relativ kompliziert an,
da diese Spannung ja potenzialfrei im Lastkreis gemessen werden muss
und die Schutzfunktion beim abgeschalteten Leistungsschalter
bei hohem Spannungsabfall nicht aktiviert werden darf.
Wie im obigen Bild zu sehen ist, lässt sich eine solche
Schutzfunktion jedoch sehr leicht realisieren: In einer
Brückenschaltung werden die Transistoren üblicherweise mit einer
Gatespannung von ca. ±15 V angesteuert.
Zwischen der positiven und
der negativen Halbwelle gibt es die obligatorische minimale Totzeit von
0,1–1 µs, in der die Gatespannung bei etwa null liegt.
Während der negativen Halbwelle passiert nichts Besonderes.
Die −15 V gehen direkt zum Gate des Leistungsschalters.
C1 wird auf ca. −0,7 V aufgeladen.
Erst während der positiven Halbwelle tritt die Schutzschaltung in Aktion.
R1 versucht, C1 auf 15 V aufzuladen.
Der durchgeschaltete Leistungsschalter verhindert dies aber,
indem er C1 über D2 wieder entlädt.
Steigt die Spannung am Leistungsschalter jedoch durch Überlastung an,
kann C1 durch R1 entsprechend aufgeladen werden.
Übersteigt die Spannung an C1 die Zenerspannung der Z-Diode (hier 6,8 V),
kann sich am Gate des Thyristors Th eine Spannung aufbauen und diesen zünden.
Die Zündung des Thyristors führt zu einem sofortigem Zusammenbruch
der Gatespannung und zur Abschaltung des überlasteten Leistungsschalters.
Die Schutzschaltung auf der Niederspannungsseite registriert nun
einen heftigen Stromanstieg auf der Primärseite des sekundärseitig
kurzgeschlossenen GDT und veranlasst eine komplette Abschaltung des Gatetreibers.
Primärseitig genügt es,
unabhängig von der Anzahl der zu überwachenden Leistungsschalter,
die Gesamtstromaufnahme aller Treiberstufen zu überwachen
und diese bei Überlastung mit einer Schutzschaltung gemeinsam abzuschalten.
In Bild 13.3.2e ist eine Vollbrückenschaltung
zur Ansteuerung eines Tesla-Trafos zu sehen,
bei der die IGBT-Module mit dieser Technik angesteuert und geschützt werden.
© Jörg Rehrmann 2010/2011