Diskrete Bauelemente – eine gute Alternative zu integrierten MOSFETs

Bei der Konstruktion von Netzteilen stehen Ingenieure oft vor dem Problem, dass vom Steuerungs-IC nur ein begrenzter Strom verfügbar ist oder dass aufgrund von Gatetreiber-Verlusten zu viel Leistung verloren geht. Zur Lösung dieser Probleme werden häufig externe Treiber verwendet. Halbleiterhersteller bieten komplette MOSFET-Treiberlösungen in Form von integrierten Schaltungen an. Dies ist allerdings in vielen Fällen nicht der kosteneffektivste Ansatz. Oft genügen schon diskrete Komponenten im Wert von wenigen Cents.

Bild 1: Ein einfacher Treiberbaustein kann mehr als 2 A treiben.

Der Schaltplan in Bild 1 zeigt ein Emitterfolger-Paar, das verwendet werden kann, um den Ausgang des Steuerungs-ICs zu puffern. Dadurch kann sich die Treiberleistung des Controllers erhöhen, und die Verlustleistung verlagert sich auf die externen Komponenten. Viele Leute glauben, dass diese Schaltung nicht genügend Ansteuerungsstrom liefert.

Wie die Vorwärtsstrom-Verstärkungskurven (hfe) in Bild 2 zeigen, stellen Hersteller für diese Niedrigstrom-Bauteile normalerweise keine Daten über 0,5 A zur Verfügung. Die Schaltung kann allerdings wesentlich höhere Ströme als 0,5 A liefern, wie die Oszilloskop-Wellenform in Bild 1 zeigt. Für diese Wellenform wurde der Treiber aus einer 50-Ohm-Quelle versorgt und mit einem 0,01-µF-Kondensator geladen, der mit einem 1-Ohm-Widerstand in Reihe geschaltet war. Das dargestellte Signal zeigt die Spannung am 1-Ohm-Widerstand, der Maßstab des Diagramms ist 2 A pro Unterteilung. Die Abbildung zeigt auch, dass der MMBT2222A fast 3 A bereitstellen kann und der MMBT3906 eine Stromsenke von 2 A möglich macht.

Bild 2: Treiber mit höheren Stromstärken wie der FMMT618 können die Leistung verbessern (oben: MMBT3904 / unten: FMMT618)

In der Realität würden die Transistoren mit ihren Komplementärtypen kombiniert (MMBT3904 für den 3906 und MMBT2907 für den 2222). Diese beiden Versionen wurden zu Vergleichszwecken dargestellt. Die Bauteile sind auch mit höherer Stromstärke und höherer Vorwärtsstrom-Verstärkung (hfe) erhältlich.

Das Paar FMMT618/718 bietet hfe‘s von fast 100 bei 6 A (Bild 2). Diskrete Bauteile sind zwar keine so elegante Lösung wie integrierte Treiber, sie können jedoch eine kostengünstigere Lösung mit besseren Wärme- und Stromstärkenkapazitäten darstellen.

Bild 3 zeigt eine Variation des einfachen Treibers, mit der Sie eine Isolationsgrenze überschreiten können. Ein Signalwandler wird durch ein symmetrisches bipolares Treibersignal angesteuert. Die Sekundärseite des Transformators wird zur Stromerzeugung für den Treiber und zur Erzeugung des Treiber-Eingangssignals verwendet.

Bild 3: Mit einigen weiteren Teilen können Sie einen isolierten Treiber bauen.

Die Dioden D1 und D2 dienen zur Gleichrichtung der Spannung vom Transformator, während die Transistoren Q1 und Q2 den Ausgangswiderstand des Transformators verringern, um starke Stromimpulse zu erzeugen und das am Ausgang verbundene FET-Gate zu entladen. Die Schaltung ist mit einer Eingangs-Einschaltdauer von 50 % äußerst effizient (unteres Treibersignal in Bild 3), da sie das negative FET-Gate ansteuert und eine schnelle Abschaltung ermöglicht, was die Schaltverluste minimiert. Dadurch ist sie ideal für den phasenverschobenen Vollbrückenwandler.

Wenn Sie am oberen Treiber eine Signalform von unter 50 % verwenden (Bild 3), sollten Sie eine Spannungsbegrenzung des Transformators in Erwägung ziehen. Dadurch wird verhindert, dass der FET versehentlich durch Überschwingen nach den Übergängen eingeschaltet wird.

Zusammenfassend können Sie mit diskreten Treibern Geld sparen. Diskrete Bauteile im Wert von rund 0,04 US-Dollar können Elemente mit mehr als den zehnfachen Kosten in Treiber-ICs ersetzen. Die diskreten Treiber können Ansteuerungsströme von mehr als 2 A liefern und ermöglichen Ihnen eine Leistungsreduktion des Steuerungs-ICs. Außerdem eliminieren sie die hohen Schaltströme an den Steuerungs-ICs, wodurch sich das Regelverhalten und das Rauschverhalten verbessern können.

Von Robert Kollman, Texas Instruments.