Analogtipp Nicht-isolierte, potentialfreie Halbbrücken-Gate-Treiber

Der LTC7063 ist ein N-Kanal Halbbrücken-Gate-Treiber für Hochspannungsanwendungen. Seine Architektur sorgt für eine effiziente Ausgangssteuerung bei Masse-Offset und externen Lasten mit hoher Rauschimmunität. Adaptive Schutzschaltungen und die programmierbare Totzeit verhindern potenzielle Durchschlagströme.

Für zahlreiche Applikationen sind Halbbrücken-Topologien zur Leistungswandlung populär. Im Zentrum dieser Schaltanordnung steht das Gate-Treiber-IC, dessen primäre Funktion es ist, ein pulsweitenmoduliertes Signal zu nutzen, um damit saubere und auf unterschiedliche Pegel umgesetzte Signale an die stromführenden (High Side) und stromlosen (Low Side) MOSFET-Leistungsschalter anzulegen.

Dieser Artikel beleuchtet die Schlüsselkriterien, die Entwickler beachten sollten, wenn sie ein Gate-Treiber-IC für ihre jeweilige Anwendung auswählen, um mit DC/DC-Wandlern in Hochspannungs- und Hochstrom-Anwendungen einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen.

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Der LTC7063 ist ein Beispiel für einen Halbbrücken-Gate-Treiber für Hochspannungs- und Hochstromanwendungen. Er ist in einer Halbbrücken-Konfiguration für die Ansteuerung von N-Kanal-MOSFETs bis zu einer Eingangsspannung von 140 V ausgelegt. Der IC enthält leistungsstarke Treiber, die große Gate-Kapazitäten, wie man sie in Hochspannungs-MOSFETs vorfindet, schnell laden und wieder entladen können. Ein adaptiver „Shoot-Through“-Schutz überwacht die Spannung am Schaltknoten und steuert die Treiberausgänge, um ein gleichzeitiges Durchschalten der MOSFETs zu verhindern. Diese Funktion verhindert potenzielle Stromdurchschläge und steigert die Effizienz.

Sowohl die High-Side- als auch die Low-Side-MOSFET-Treiber des LTC7063 sind potentialfrei und erlauben einen Masse-Offset bis zu 10 V zwischen dem IC und den Ausgangsmassen. Diese potentialfreie Architektur macht die Treiberausgänge robuster und weniger empfindlich gegenüber Masseversatz, Rauschen und Transienten. Dank der potentialfreien Masse eignet sich der Baustein für die Steuerung von MOSFETs sowie für getaktete Hochspannungs- und Hochstrom-Kondensatorwandler.

Zu den Sicherheits- und Schutzfunktionen des LTC7063 gehören thermische Abschaltung, Sperrschaltungen am Eingang für Unter- und Überspannungen sowie Unterspannungs-Sperrschaltungen sowohl für High-Side- als auch für Low-Side-MOSFET-Treiber. Diese Funktionen gewährleisten die langfristige Zuverlässigkeit und Robustheit jeder Halbbrücken-Anwendung.

Zur effizienten Wärmeableitung sind diese Gate-Treiber in einem thermisch verbesserten Gehäuse mit freiliegendem Pad untergebracht.

Abwärtswandler-Anwendung mit externer Last

Bild 1 zeigt einen 2:1-Abwärtwandler mit einer externen Last, der den LTC7063 verwendet. Er arbeitet mit einer Eingangsspannung von bis zu 80 V und liefert 0,5 UIN bei einer maximalen Last von 5 A. Der PWM-Pin empfängt von einem externen Controller ein Logiksignal mit drei Zuständen und das Gate des High-Side-MOSFETs wird auf high geschaltet, wenn das PWM-Signal über den Schwellwert steigt.

Der Low-Side-MOSFET wird komplementär zum High-Side-MOSFET angesteuert. Durch die Hysterese zwischen dem ansteigenden und abfallenden Schwellwert des Eingangssignals wird ein falsches Triggern der MOSFETs verhindert. Beide MOSFETs werden während des Hysterese-Intervalls des Eingangssignals auf Low gezogen. Liegt der Enable-Pin (EN) auf high, entsprechen sowohl der Ausgang des Top-Gates (TG) als auch des Bottom-Gates (BG) dem PWM-Eingangssignal und ziehen den EN-Pin auf Low. Damit werden die Ausgänge von TG und BG ebenfalls auf Low gezogen.

Das Bootstrapping der Spannungsversorgungen BST-SW und BGVCC-BGRTN gewährleistet einen effizienten Betrieb der High-Side- und Low-Side-Treiber ohne zusätzliche isolierte Versorgungsspannung, was sowohl die Kosten als auch die Anzahl der Bauteile auf der Platine reduziert.

Die Totzeit zwischen TG und BG ist kurz und der BG/TG-Anstieg kann beschleunigt werden, indem man einen Widerstand zwischen dem DG-Pin und der Masse einfügt. Durch Kurzschließen des Totzeit-Pins (DT) auf Masse ergibt sich eine Standard-Totzeit von 32 ns für diesen Übergang, und durch Potentialausgleich des DT-Pins verlängert sich die Totzeit auf ein Maximum von 250 ns. Diese programmierbare Totzeit gewährleistet einen noch robusteren Shoot-Through-Schutz in Hochspannungsanwendungen.

Der 1,5 Ω-Pull-up-Widerstand und der 0,8 Ω-Pull-down-Widerstand der High-Side- und Low-Side-MOSFET-Treiber sorgen für ein schnelles Ein- und Ausschalten der Schalter und verhindern jegliche Querströme, wodurch der Wirkungsgrad verbessert wird.

Der Fehler-Pin (FLT) ist ein Open-Drain-Ausgang, der intern auf Low gezogen wird, wenn die Sperrschichttemperatur des LTC7063 180°C erreicht. Er wird ebenfalls auf Low gezogen, wenn die Versorgungsspannung für UCC unter 5,3 oder über 14,6 V liegt.

Bei der in Bild 1 gezeigten Anwendung lösen die potentialfreien Spannungen BGVCC-BGRTN und BST-SW unter 3,3 V den Fehlerzustand aus und ziehen den FLT-Pin auf Low. Sobald alle Fehler beseitigt sind, wird der FLT-Pin nach einer Verzögerung von 100 µs mit einem externen Widerstand auf High gezogen. (kr)

* Srikesh Pulluri ist Applikationsingenieur bei Analog Devices in Wilmington / USA.

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