Leitfaden für Gate-Drive-Transformatoren

Was ist ein Gate-Treiber-Transformator und wozu dient er?

Ein Gate-Treiber-Transformator (Gate-Drive-Transformator) ist ein Hochfrequenztransformator, der Schaltimpulse von einem Controller an das Gate eines MOSFETs oder IGBTs überträgt und dabei eine galvanische Trennung gewährleistet. Er dient dazu, Niederspannungs-Steuerschaltungen sicher von der Hochspannungs-Leistungsstufe zu trennen, die Störfestigkeit zu verbessern und schnelle, präzise Schaltsignale bereitzustellen. In einigen Schaltungsausführungen kann er zudem die Gate-Ansteuerspannung über sein Windungsverhältnis anpassen.

Der Stromfluss durch einen MOSFET zwischen Drain und Source wird durch eine am Gate anliegende Ansteuerspannung gesteuert. In Schaltnetzteilen schaltet eine gepulste Gate-Ansteuerspannung den Drain-Source-Strom ein und aus, sodass der MOSFET als Leistungsschalter fungiert. Gate-Treiber-Transformatoren werden eingesetzt, um diese Steuersignale galvanisch getrennt zwischen der Steuerschaltung und der Leistungsstufe zu übertragen. Dieser Artikel behandelt Gate-Treiber-Transformatoren und die Anwendungen, für die die standardmäßig verfügbaren Gate-Treiber-Transformatoren von Coilcraft hervorragend geeignet sind.

Eine Gate-Treiberschaltung benötigt häufig eine isolierte (potentialfreie) Versorgungsspannung, um die erforderliche Einschaltspannung aufrechtzuerhalten, wenn das Potenzial der FET-Source auf die Eingangsspannung ansteigt. Ein Gate-Treiber-Transformator sorgt für diese galvanische Trennung bei der Ansteuerung des MOSFET-Gates und ermöglicht es zudem, die Ausgangsspannung über das Windungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärseite exakt abzustimmen.

In einigen Anwendungen kommen digitale Isolatoren oder Optokoppler zur direkten Ansteuerung von MOSFETs zum Einsatz. Bei höheren Spannungsanforderungen werden Gate-Treiber-Transformatoren jedoch aufgrund ihrer sehr geringen Ein- und Ausschaltverzögerungszeiten bevorzugt. Dies macht sie zu einer leistungsstarken Lösung für Hochspannungs- und Hochfrequenzanwendungen, bei denen ein präzises Signal-Timing entscheidend ist.

Typische Konfigurationen von Gate-Treiber-Schaltungen

Abbildung 1 zeigt eine vereinfachte, transformatorgekoppelte (AC-gekoppelte) Single-Ended-High-Side-Gate-Treiberschaltung für Anwendungen mit geringerer Leistung. Abhängig vom Tastverhältnis und weiteren Schaltungsbedingungen können zusätzliche Bauteile wie Kondensatoren, Dioden und Widerstände erforderlich sein, um Folgendes zu verhindern:

1. Das Entstehen eines Gleichspannungsanteils am Transformator, der zu einer Kernsättigung führen würde.
2. Eine Resonanz zwischen der Magnetisierungsinduktivität und der Kopplungskapazität bei abrupten Änderungen des Tastverhältnisses.

Bei einseitigen (AC-gekoppelten) Schaltungen beträgt das ungünstigste Tastverhältnis 0,50.

Halbbrücken- und Vollbrückenkonfigurationen – wie beispielsweise die in Abbildung 2 dargestellte transformatorgekoppelte Push-Pull-Halbbrücken-Gate-Treiberschaltung – werden für Anwendungen mit höherer Leistung eingesetzt.

Bei zweiseitigen (DC-gekoppelten) Brückenschaltungen entspricht der ungünstigste Fall dem maximalen Tastverhältnis (theoretisch 1,0).

Abbildung 3 zeigt eine typische Schaltungslösung mit Gate-Treiber-Transformator, bei der eine Vollbrücken-Leistungsstufe mit High-Side-MOSFETs (Q1 und Q2) sowie Low-Side-MOSFETs (Q3 und Q4) angesteuert wird.

Wo werden Gate-Treiber-Transformatoren üblicherweise eingesetzt?

Gate-Treiber-Transformatoren finden breite Anwendung in Schaltnetzteilen (SMPS), Motorantrieben, DC-DC-Wandlern und Hochleistungs-Wechselrichtern. Sie sind unverzichtbar in Anwendungen, die eine präzise Steuerung der MOSFET- und IGBT-Gate-Ansteuerung, galvanische Trennung sowie schnelle Schaltzeiten sowohl in Industrie- als auch in Hochspannungsumgebungen erfordern.

Gate-Treiber-Transformatoren von Coilcraft

Coilcraft bietet standardmäßig verfügbare Gate-Treiber-Transformatoren mit einer Vielzahl von Spannungs-Zeit-Flächen, Isolationsklassen und Windungsverhältnissen an. Grundsätzlich kann jede gekoppelte Induktivität oder jeder Transformator als Gate-Treiber-Transformator eingesetzt werden, sofern das Bauelement die für die jeweilige Anwendung erforderlichen Spezifikationen bezüglich Induktivität, Windungsverhältnis, Streuinduktivität, galvanischer Trennung und Voltsekunden-Produkt erfüllt.

Wie wähle ich den passenden Gate-Drive-Transformator von Coilcraft aus?

Die standardmäßig verfügbaren Gate-Treiber-Transformatoren von Coilcraft vereinfachen das Design Ihrer Gate-Treiberschaltung und verkürzen die Entwicklungszeit. Unsere Konstruktionen basieren in der Regel auf Ferritkernen mit hoher Permeabilität, um eine möglichst hohe Magnetisierungsinduktivität bei gleichzeitig geringem Magnetisierungsstrom zu erzielen.

Die erforderliche Baugröße des Transformators wird durch das Voltsekunden-Produkt der Anwendung bestimmt. Das wichtigste Auswahlkriterium für einen Gate-Treiber-Transformator ist daher das Voltsekunden-Produkt (V-µs), das im Datenblatt des Transformators angegeben ist. Dieser Wert muss mindestens so groß sein wie das maximal zu erwartende Voltsekunden-Produkt der Schaltung, um eine Kernsättigung zu vermeiden.

Hinweis: Das Voltsekunden-Produkt (V-µs) kann anhand der Datenblattangaben berechnet werden, indem die Primärinduktivität beim Sättigungsstrom (L bei Isat) mit dem zulässigen Spitzenstrom (Isat) multipliziert wird.

Beispiel:

Gegeben:

L @ Isat = 33 µH bei 2 A

Dann gilt:

V × T = 66 V-µs

Bei der Auswahl eines Gate-Treiber-Transformators sollten außerdem folgende Kriterien berücksichtigt werden:

1. Windungsverhältnis: Erforderliches Primär-zu-Sekundär-Windungsverhältnis zur Spannungsanpassung; für Gate-Drive-Anwendungen typischerweise 1:1.
2. Isolationsfestigkeit: Die elektrische Isolation sollte entsprechend den ungünstigsten Betriebsbedingungen ausgelegt werden.
3. Streuinduktivität: Eine möglichst geringe Streuinduktivität sorgt für einen höheren Wirkungsgrad und minimale Signalverzögerungen (Laufzeiten) in der Gate-Treiberschaltung.
4. Montageart auf der Leiterplatte: Durchsteckmontage (THT / Through-Hole) oder Oberflächenmontage (SMD / Surface Mount).

Entdecken Sie unsere Auswahl vorkonstruierter, standardmäßig verfügbarer Gate-Treiber-Transformatoren für Single-Ended- und Gegentakt-Treiberschaltungen.

Referenzen

John Stevens. 2013. Using a Single-Output Gate-Driver for High-Side or Low-Side Drive. Texas Instruments Application Report SLUA669.

Laszlo Balogh. 2002. Fundamentals of MOSFET and IGBT Gate Driver Circuits. Texas Instruments Application Report SLUA618-March 2017-Revised SLUP169.

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