3 Hersteller von Isolierte Gate-Treiber im Jahr 2024

Was ist ein Gate-Treiber?

Ein Gate-Treiber ist eine Schaltung, die zur Ansteuerung und Kontrolle der Gate-Anschlüsse eines spannungsgesteuerten MOSFET oder IGBT dient.

Derzeit sind die gebräuchlichsten Gate-Treiber Schaltungen, die das Gate eines MOSFET ansteuern und kontrollieren, aber es gibt auch analoge Schaltungen mit Widerständen, Dioden, bipolaren und anderen Transistoren. In jüngster Zeit haben sich auch die Komponenten der peripheren Gate-Treiber-Schaltungen weiterentwickelt.

Obwohl es eine Vielzahl von Typen und Kombinationen gibt, ist es am praktischsten, sich mit Gate-Spannungssteuerungsschaltungen mit MOSFETs vertraut zu machen.

Anwendungen von Gate-Treibern

Gate-Treiber werden zur Ansteuerung von Leistungstransistoren mit einer einfachen Treiberschaltung verwendet, die nur aus MOSFETs und Gate-Widerständen besteht.

Der Vorteil von Gate-Treibern ist die geringe Anzahl von Bauteilen. Der Nachteil ist, dass die Schaltgeschwindigkeit und die Verluste stark vom Widerstandswert abhängen und es schwierig ist, einen geeigneten Widerstandswert einzustellen. Eine Schaltung, die dieses Problem der Einstellung des Widerstandswertes verbessert, wird auch in Schaltungen verwendet, bei denen das Gate eines MOSFET durch eine Diode separat ein- und ausgeschaltet wird.

Die Spannung für die Diode bleibt bestehen, kann also nicht vollständig auf Null reduziert werden, aber eine als Push-Pull bezeichnete Schaltung, bei der Pch und Nch des MOSFETs nach oben und unten geschaltet sind, löst dieses Problem. Dies ist derzeit die häufigste Anwendung von Gate-Treibern.

Funktionsweise der Gate-Treiber

Gate-Treiber bestehen aus einer Push-Pull-Schaltung von Transistoren.

Eine Push-Pull-Schaltung ist eine Schaltung, in der zwei Transistoren zum Schalten oder Verstärken im Wechselbetrieb verwendet werden. Es gibt zwei Arten von Gegentaktschaltungen: Emitter-Follower und Emitter-Grounded, wobei es sich in den meisten Fällen um letztere handelt.

Gate-Treiber bestehen aus Schaltungen, die als Vermittler zwischen dem Leistungselement, das die schwere Arbeit am Transistorstandort verrichtet, und dem Mikrocontroller fungieren, der das Gehirn ist, das die Steuerpolitik befiehlt und die Rolle des Präsidenten spielt.

Zu den Leistungselementen, die große Ströme übertragen können, gehören Leistungs-MOSFETs und IGBTs. Die Spannungen und Ströme, mit denen diese direkt angesteuert werden, reichen in den meisten Fällen nicht für die Ströme und Spannungen aus, die ein normaler Mikrocontroller ausgeben kann.

Daher ist ein Gate-Treiber zwischen den Leistungselementen und dem Mikrocontroller erforderlich, um sie zu steuern.

Weitere Informationen zu Gate-Treibern

1. Was ist ein ultraschneller Gate-Treiber?

Ultraschnelle Gate-Treiber sind Isolierte Gate-Treiber, die auf Hochgeschwindigkeitsschaltungen spezialisiert sind.

Die Kategorie der ultraschnellen Gatetreiber wird im Allgemeinen definiert als Geräte mit einer Schaltgeschwindigkeit von einigen zehn ps (Pikosekunden) oder weniger. Pico ist 10 hoch 12, d. h. die Schaltgeschwindigkeit beträgt weniger als eine Billionstel Sekunde (minus 12).

Dies ist eine Entwicklung, die durch die jüngsten technologischen Innovationen bei Halbleiterbauelementen eingetreten ist.

2. Praktische Anwendung von ultraschnellen Gate-Treibern

Zu den in der Praxis eingesetzten ultraschnellen Gate-Treibern gehören die folgenden Elemente:

Der erste ist der Transistor auf Siliziumbasis, der am häufigsten verwendete Halbleiter, den es in bipolarer und MOS-Ausführung gibt. Bipolare Transistoren sind schnell und können innerhalb von zehn Pikosekunden schalten, während MOS-Transistoren verzögert arbeiten, aber für die Integration von Schaltungen mit hoher Dichte geeignet sind.

Der zweite Typ ist der Verbindungshalbleiter-Transistor. Dazu gehören MESFETs (Schottky-Gate-Feldeffekttransistoren), HBTs (Hetero-Bipolartransistoren) und HEMTs (Feldeffekttransistoren mit hoher Mobilität). Bei den verwendeten Halbleitern handelt es sich um Galliumarsenidverbindungen. Es handelt sich um die schnellsten heute verfügbaren Halbleiter, die Schaltvorgänge von einigen Pikosekunden ermöglichen.

Die dritte Methode, die sich noch im Forschungsstadium befindet, ist der Josephson-Baustein, der den Tunneleffekt zwischen zwei Arten von Supraleitern nutzt; er hat die halbe Schaltgeschwindigkeit des zweiten Bausteins und verwendet metallische Materialien wie Niob. Für den Betrieb sind jedoch Tiefsttemperaturen erforderlich, und es sind noch einige Herausforderungen zu bewältigen, bevor es in der Praxis eingesetzt werden kann.

3. SiC Gate-Treiber

Gate-Treiber aus SiC sind Halbleiterelemente, die in den letzten Jahren in der Leistungselektronik aufgrund ihrer ausgezeichneten Spannungsfestigkeit und verbesserten Schaltgeschwindigkeit für Aufsehen gesorgt haben. Der Begriff SiC-Gate-Treiber bezieht sich auf Gate-Treiber aus Siliziumkarbid-Halbleitern (allgemein bekannt als SiC), deren Verwendung in der Industrie zum Trend geworden ist.

Insbesondere MOSFETs auf SiC-Basis haben zu einer erheblichen Verbesserung der Schaltleistung beigetragen, die in Hochleistungswechselrichtern ein Problem darstellt, und haben die Wärmeableitung verbessert, während sie eine hohe Durchbruchfeldstärke und Ladungsträgerdriftgeschwindigkeit erreichen.

Bei SiC besteht jedoch die Herausforderung darin, Spannungsunterschiede in verschiedenen SiC-Zusammensetzungskonfigurationen aufzulösen.

4. Derzeitige Hauptbauelemente in Gate-Treibern

Gegenwärtig werden von Gate-Treibern hauptsächlich spannungsgesteuerte Bauelemente wie MOSFETs und IGBTs betrieben. Obwohl Gate-Treiber keinen konstanten Stromfluss benötigen, müssen sie als Leistungsbauelemente wegen der kurzen Impulsströme, die bei Schaltvorgängen fließen, sorgfältig auf die Strom- und Spannungswerte achten.

Insbesondere bei IGBTs zeigen sich die Vorteile ihrer Eigenschaften im Vergleich zu MOSFETs bei hohen Spannungen von mehreren 10 V. Es ist daher sicherer, die Vorspannungseigenschaften der Gate-Treiber so genau wie möglich auf den Spannungsbereich und die Anwendung abzustimmen.

5. Modularisierung und zukünftige Trends

IGBTs zeichnen sich dadurch aus, dass sie dazu neigen, bei hohen Spannungen zu arbeiten und sofort zusammenzubrechen, wenn ihre maximale Leistung überschritten wird. Aus diesem Grund sind IGBT-Module, die IGBTs mit Gate-Treiber-ICs und Schutzschaltungen kombinieren, einfacher zu handhaben als IGBTs allein (diskret) und haben sich auf dem Markt durchgesetzt.

Zukünftige Trends in der Entwicklung von Gate-Treibern werden die Entwicklung von anwendungsspezifischen ICs, wie Class-D-Verstärker und Motorantriebe, sowie kompaktere, leistungsfähigere und benutzerfreundlichere Produkte umfassen. Diese Gate-Treiber werden den bereits erwähnten Gate-Treibern für SiC-Halbleiter und GaN-Bauelemente in nichts nachstehen.