Beim Erzeugen und Umwandeln von Energie lautet die Aufgabe für Entwickler meist, die vorhandene Energie über die Leistung, die Spannung, den Strom oder einen anderen Parameter exakt zu regeln. In einigen Fällen ist allerdings eine besonders genaue Regelung dieser Größen gar nicht nötig: es reicht, sie von den Lastbedingungen oder von bestimmten Systemparametern abzuleiten. Nach diesem Prinzip arbeiten ungeregelte Systeme (Open Loop), zum Beispiel die im Folgenden untersuchte Gate-Ansteuerung für eine Stromversorgung. Sie braucht allerdings zwei stabile Zustände:

  • Nicht angesteuert: Gate-Spannung ist null (oder beinahe null) ohne die Möglichkeit der Selbstansteuerung.
  • Angesteuert: Es liegt eine definierte Gate-Spannung an; Transienten und Spannungsänderungen müssen so schnell wie möglich erfolgen.

Wer eine galvanisch isolierte Gate-Ansteuerung wünscht, kann diese im Prinzip recht einfach per Übertrager realisieren.

Flott gewandelt

Der Beitrag beschreibt die Entwicklung einer hochfrequenzmodulierten Gate-Ansteuerung für einen synchronen Brückengleichrichter mit Mikrocontroller für den Betrieb am Netz. Die Schaltung ist einfach aufgebaut, schnell und zuverlässig.

Modulation als Lösung für langsame Schaltungen

Der Übertrager muss allerdings sehr groß und damit teuer sein, wenn die zu übertragenden Frequenzen sehr niedrig sind (unter 1 kHz). Die naheliegende Lösung lautet, ein hochfrequentes Steuersignal zu verwenden. Das zu erzeugen, ist allerdings sehr aufwändig. Ein möglicher Ausweg lautet, das als Steuersignal dienende niederfrequente Signal nicht direkt zu verwenden, sondern mit ihm ein hochfrequentes Signal zu modulieren. Auf diese Weise überträgt ein kompakter Hochfrequenzübertrager auch Signale mit Frequenzen bis hinab zu 0 Hz. Im Folgenden wird diese Art Gate-Treiber als hochfrequenzmodulierte Gate-Ansteuerung bezeichnet, da das HF-Signal gleichsam als Träger für das niederfrequente Ansteuersignal dient. Die wichtigsten Anforderungen an eine solche Schaltung lauten:

  • Gate-Spannung (high): 10 … 12 V
  • Gate-Spannung (low): 0 … 1 V
  • Dauer der steigenden und fallenden Flanken: maximal 20 µs
  • Maximale Pulsweite: 10 ms
  • Minimale Pulsweite: möglichst gering (im vorliegenden Fall nur 100 µs)

Die Schaltung soll ungeregelt arbeiten, daher gilt es, bestimmte Parameter bereits systemseitig festzulegen. Um zu gewährleisten, dass die Gate-Spannung in einem bestimmten Bereich bleibt, darf auch die Versorgungsspannung einen vorgegebenen Bereich nicht verlassen.

Bild 1: Das Steuersignal für die Gate-Spannung wird auf ein hochfrequentes Signal moduliert, um mit einem kompakten HF-Übertrager auszukommen. Damit entsteht eine übersichtliche Schaltung, die verblüffend effizient und zuverlässig arbeitet.

Bild 1: Das Steuersignal für die Gate-Spannung wird auf ein hochfrequentes Signal moduliert, um mit einem kompakten HF-Übertrager auszukommen. Damit entsteht eine übersichtliche Schaltung, die verblüffend effizient und zuverlässig arbeitet.Texas Instruments

Bild 1 zeigt die Schaltung in der Form, wie sie der Autor für diesen Artikel aufgebaut und geprüft hat. Die beiden Anschlüsse INA_A und INB_A sind gegenphasige Steuersignale, die ein MSP430-Mikrocontroller generiert. Die Schaltfrequenz beträgt 200 kHz. Der doppelte Gate-Treiber UCC27324 eignet sich für eine zusätzliche Stromverstärkung und Pegelumsetzung. Der 10-µF-Kondensator C1 verhindert eine Sättigung des 980-µH-Übertragers T1 bei einem etwaigen DC-Offset des Treiberausgangs. Der Übertrager T1 sorgt für die galvanische Isolation und die Übertragung der Wechselstromenergie. Die beiden Schottky-Dioden D2 (je eine BAT54C) sowie die Schottky-Diode D5 (BZX8C15) dienen als Gleichrichter und zur Spannungsklemmung.

Konstantstromsenke

Der aus der Schottky-Diode D3 (BAT54), der Diode D4 (1N4148W), den Widerständen R2 (27 Ohm) und R4 (12 kOhm), sowie dem PNP-Transitor Q2 (MMBT2907ALT1) bestehende Schaltungsteil fungiert als 10-mA-Konstantstromsenke. Dieser Strom erzeugt eine Vorspannung an der Basis des Transitors Q1 (ebenfalls MMBT2907ALT1), wenn die Spannung am Gate höher sein sollte als die Ansteuerspannung (in diesem Fall die Spannung am 1-nF-Kondensator C4). Das sorgt dafür, dass die Gate-Spannung durch einen konstanten Senkenstrom von mindestens 300 mA abgebaut wird. Ein Strom dieser Höhe reicht aus, um auch große Gate-Ladungen in sehr kurzer Zeit abfließen zu lassen.

Hochfrequente Ansteuerung

Bild 2: Die Messung zeigt eines der beiden hochfrequenten Steuersignale am Übertrager (blau) und die resultierende Gate-Spannung am Mosfet (grün) bei steigender Flanke des niederfrequenten Steuersignals.

Bild 2: Die Messung zeigt eines der beiden hochfrequenten Steuersignale am Übertrager (blau) und die resultierende Gate-Spannung am Mosfet (grün) bei steigender Flanke des niederfrequenten Steuersignals.Texas Instruments

Der 100-nF-Kondensator C3 filtert die hochfrequente Ansteuerspannung und verhindert ein erneutes Einschalten des Mosfets bei hohen Miller-Strömen. Hierzu könnte es kommen, wenn die Drain mit steilen Spannungsflanken konfrontiert wird, denn die schnellen Spannungsänderungen können bewirken, dass in den Gate-Anschluss hohe kapazitiv bedingte (Miller-)Ströme fließen und die Gate-Spannung bis auf die Schwellenspannung ansteigt. Der Mosfet könnte hierdurch unkontrolliert einschalten und Störungen verursachen. Der 10-kOhm-Widerstand R3 sollte die verbleibende Ladung ableiten, die eine Spannung unterhalb der Schwelle von 1 V hervorruft (das Doppelte der Basis-Emitter-Schwellenspannung von Q1 und Q2).

Bild 3: Wie Bild 2, aber bei fallender Flanke des niederfrequenten Steuersignals. Das NF-Signal stammt vom Mikrocontroller MSP430 und wird hochfrequenzmoduliert, um den Übertrager zu passieren.

Bild 3: Wie Bild 2, aber bei fallender Flanke des niederfrequenten Steuersignals. Das NF-Signal stammt vom Mikrocontroller MSP430 und wird hochfrequenzmoduliert, um den Übertrager zu passieren.Texas Instruments

Bild 2 zeigt die steigenden und Bild 3 die fallende Flanke der Gate-Ansteuerung. Die horizontale Achse ist in 10-µs-Schritten eingeteilt. Die blaue Kurve bezieht sich dabei auf eine der beiden hochfrequenten Treiberspannungen (OUT_A) an der Primärseite des Übertragers. Die grüne Kurve zeigt die resultierende Gate-Spannung direkt am Leistungs-Mosfet. Solange die Steuersignale aktiv sind, liegt eine sehr glatte Spannung am Gate an. Die Gate-Spannung spricht sehr schnell auf das An- oder Abschalten des Steuersignals an.

Mit wenig Aufwand ans Ziel

Eine recht einfache Schaltung mit überschaubarem Bauteileaufwand reicht also aus, um einen galvanisch isolierten Trägerfrequenz-Gatetreiber zu realisieren, der höchst effizient und zuverlässig arbeitet. An der realen Hardware konnten sehr präzise Berechnungen, Simulationen und Messungen vorgenommen werden. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass Simulationsergebnisse und Messwerte hervorragend übereinstimmen.