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Blog Serie Teil 1: Was versteht man unter einer ‚Smart Gate Drive‘-Architektur?

Auf Begriffe wie Kontrolle, Effizienz, Schutz stößt man im Zusammenhang mit neuen integrierten Schaltungen ständig. Ihre Bedeutung wird anhand einer neuen Technologie erklärt, die Texas Instruments mit seinen Motor-Gatetreibern vorstellt.

HF-Scan nach Eliminierung Bildquelle: © Texas Instruments

Der HF-Scan nach Eliminierung der Oszillationen am Schalt-Knoten zeigt die deutlich geringen HF-Störabstrahlungen.

Texas Instruments Motor-Gatetreiber für bürstenbehaftete Gleichstrom- und Schrittmotoren sowie für bürstenlose Gleichstrommotoren beruhen auf einer neuen, als ‚Smart Gate Drive‘ bezeichneten Architektur. Ich möchte Ihnen in dieser Blog-Serie kurz einen Überblick darüber geben, worum es sich dabei handelt, welche Motor-Gatetreiber diese Architektur nutzen und wo Sie mehr darüber erfahren können.

Die Smart Gate Drive-Architektur von TI kombiniert Schutzfunktionen mit der Möglichkeit zur Konfiguration des Gatetreibers. Sie beruht auf dem Gatetreiber selbst und wird mit zwei Features implementiert, die als IDRIVE und TDRIVE bezeichnet werden. Im ersten Teil dieser zweiteiligen Blog-Serie gebe ich Ihnen einen Überblick über IDRIVE, während es im nächsten Teil um TDRIVE gehen wird.

Unter IDRIVE versteht man die Fähigkeit zur dynamischen Einstellung des Ausgangs-Treiberstroms des Gatetreibers. Eine Beschreibung, wie das genau funktioniert, würde den Rahmen dieser Blog-Serie sprengen. Es gibt jedoch einen Applikationsbericht über IDRIVE/TRDRIVE, in dem Sie erfahren, welchen Einfluss der Gate-Treiberstrom auf den Leistungs-MOSFET hat. Kurz gesagt, ist es mit IDRIVE möglich, die Flankensteilheit der Drain-Source-Spannung (VDS) des MOSFET, die ein wichtiger Parameter geschalteter Leistungs-Schaltungen ist, zu variieren. Dies geschieht durch einen einfachen Schreibvorgang in ein Register oder durch das Variieren einer analogen Spannung. Bild 1 zeigt dieses Feature in Aktion. Mit einem Nachleucht-Oszilloskop wurde darin die VDS-Flankensteilheit des DRV8305-Q1EVM bei Treiberströmen zwischen 10 und 70 mA aufgezeichnet.

DRV8305-Q1 Bildquelle: © Texas Instruments

Bild 1. Funktionsweise von IDRIVE am Beispiel des DRV8305-Q1

Die VDS-Flankensteilheit von MOSFETs ist wichtig, weil dieser Parameter große Bedeutung für einen optimalen Schalt-Wirkungsgrad und minimale parasitäre Effekte hat. Während über den Zusammenhang zwischen Schalt-Wirkungsgrad und Flankensteilheit bereits relativ gute Erkenntnisse eingeholt wurden, sind viele der parasitären Effekte noch nicht so deutlich. Zwei gängige parasitäre Nebeneffekte im Zusammenhang mit der VDS-Flankensteilheit von MOSFETs sind Oszillationen am Schalt-Knoten und elektromagnetische Interferenzen (EMI).

Zu Oszillationen am Schalt-Knoten kommt es durch hohe dV/dt-Werte (Anstiegsgeschwindigkeiten) sowie durch parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten des Leistungs-MOSFET selbst und des Leiterplatten-Layouts. Diese Oszillationen können dazu führen, dass die Spannung am Schalt-Knoten unter das Massepotenzial fällt oder über die Versorgungsspannung hinaus ansteigt. Hierdurch werden die Kenndaten des Gatetreibers oder des Leistungs-MOSFET häufig überschritten, was zu Totalausfällen führen kann. Bild 2 zeigt (in gelb) derartige Oszillationen, die mit einer großen negativen Spitze beginnen und damit den absoluten Maximalwert des Gatetreibers überschreiten.

    Parasitäre Effekte Bildquelle: © Texas Instruments

    Bild 2. Beispiel für Oszillationen am Schalt-Knoten

    Man kann diesen Oszillationen am Schalt-Knoten mit externen Bauelementen wie etwa Schottky-Dioden oder Snubber-Schaltungen (RC-Kombinationen) entgegenwirken. Am besten ist es aber häufig, die VDS-Flankensteilheit zu variieren und die dV/dt-Komponente der Gleichung zu reduzieren. Mit IDRIVE erhalten Sie die Möglichkeit, diese Entscheidung während des Designs schnell zu fällen und damit sicherzustellen, dass die gewählte Einstellung über die gesamte Lebensdauer des Systems hinweg konstant bleibt.

    Ein weiteres subtiles Problem in geschalteter Leistungselektronik sind die elektromagnetischen Interferenzen (EMI), die ebenfalls häufig auf Oszillationen am Schalt-Knoten zurückgeführt werden. Der Ausfallmechanismus ist hier jedoch ein anderer, denn es wird kein absoluter Maximalwert überschritten, sondern es entstehen hochfrequente Signalkomponenten, die in benachbarte Bauteile und Systeme einstrahlen können. Feststellen lässt sich dies, wenn ein Produkt in Konformitätsprüfungen die zulässigen Störbeeinflussungswerte überschreitet.