Quelltext der Seite Gate-Treiber

Als '''Gate-Treiber''' (''MOSFET-Treiber'', ''IGBT-Treiber'' oder ''Halbbrücken-Treiber'') bezeichnet man in der [[Elektronik]], speziell der [[Leistungselektronik]], eine [[Elektronische Schaltung|diskrete]] oder [[Integrierter Schaltkreis|integrierte elektronische Schaltung]], welche [[Leistungstransistor|Leistungsschalter]], wie beispielsweise [[Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor|MOSFETs]] oder [[Insulated Gate Bipolar Transistor|IGBTs]], ansteuert.

Ferner kann ein einfacher ''Gate-Treiber'' als eine Kombination aus [[Pegelumsetzer]] und [[Verstärker (Elektrotechnik)|Verstärker]] gesehen werden.

== Motivation ==
Oft ist zu lesen, dass [[Transistor]]en mit isolierter Gate-Elektrode wie z.&nbsp;B. MOSFETs [[Elektrische Leistung|leistungslos]] oder zumindest stromlos angesteuert werden können, was aber nicht richtig ist. Grundsätzlich benötigen solche Transistoren im Gegensatz zu beispielsweise [[Bipolartransistor]]en bedingt durch ihr Funktionsprinzip lediglich keinen ständig fließenden [[Elektrischer Strom|Steuerstrom]], solange ihr Schaltzustand nicht geändert werden soll. Die isolierte Gate-Elektrode bildet jedoch im Transistor einen [[Kondensator (Elektrotechnik)|Kondensator]] (Gate-Kondensator), welcher bei jedem [[Schaltvorgang#Elektronische Schaltvorgänge|Schaltvorgang]] des Transistors umgeladen werden muss. Da ein Transistor eine bestimmte [[Elektrische Spannung|Spannung]] am Gate benötigt, um durchzuschalten, muss dieser Kondensator jeweils auf mindestens diese Spannung aufgeladen werden. Umgekehrt muss beim Abschalten des Transistors diese Spannung wieder abgebaut werden, also der Kondensator entladen werden.

Wenn ein Transistor umgeschaltet wird, geht er nicht schlagartig vom nichtleitenden in den leitenden Zustand (oder umgekehrt) über, sondern durchläuft je nach Ladespannung der Gate-Kapazität einen gewissen [[Elektrischer Widerstand|Widerstandsbereich]]. Folglich wird während des Umschaltens unter Stromfluss eine mehr oder weniger große [[Verlustleistung|Leistung]] im Transistor umgesetzt, welche ihn erwärmt und im ungünstigsten Fall sogar zerstören kann. Es liegt also nahe, den Umschaltvorgang des Transistors so kurz wie möglich zu gestalten, um die [[Schaltverluste]] so gering wie möglich zu halten.

Zwischen Ladestrom (I), Änderung der Ladespannung (dU) und Umladezeit (dt) gilt für einen Kondensator der Kapazität C folgende Beziehung:
: <math>I = C\frac{\mathrm{d}U}{\mathrm{d}t}</math>
Da der nötige Spannungshub (Änderung der Gate-Spannung zwischen Ein- und Ausschalten, dU) und die Gate-Kapazität C durch den Transistor vorgegeben sind, ist somit die Umschaltzeit dt des Transistors umso kleiner, je größer der Strom I ist, mit dem das Gate angesteuert (umgeladen) wird. Die Höhe dieses Umladestromes ist durch Widerstand und Induktivität des Gate-Strompfades begrenzt. Die Quelle der Umschaltsignale muss in der Lage sein, diese Umladeströme zu liefern.
Die Gate-Kapazität hängt in gewissen Grenzen selbst von der jeweils anliegenden Gate-Spannung ab. Für einen konkreten Transistor gibt der Hersteller daher in der Regel das Produkt aus Gate-Kapazität C und Gate-Spannung U an. Das ist die Gate-Ladung Q, die im Zuge eines Schaltvorganges in das Gate hinein oder aus ihm heraus befördert werden muss. Typische Werte dieser Gateladung für Leistungs-MOSFET liegen in der Größenordnung von 100&nbsp;nC (Nanocoulomb). Wegen der bereits erwähnten thermischen Verluste im Transistor im Zuge des Umschaltvorganges werden besonders bei periodischem Betrieb (schnelles Ein- und Ausschalten) Umschaltzeiten in der Größenordnung von Mikrosekunden und darunter angestrebt. Entsprechend erreichen die Umladeströme, die zur Ansteuerung des Gates unter diesen Bedingungen erforderlich sind, durchaus Werte im Bereich von einigen hundert Milliampere bis zur Größenordnung Ampere. Bei den typischen Gate-Spannungen von etwa 10 bis 15 Volt werden leicht Leistungen von einigen Watt erforderlich. Müssen große Ströme mit hohen Frequenzen geschaltet werden (z.&nbsp;B. in Gleichstromstellern für große Elektromotoren), schaltet man oft mehrere Transistoren parallel, die Ladeströme und die Schaltleistungen vervielfachen sich dann entsprechend der Anzahl der Transistoren.

Die Schaltsignale für Transistoren werden in der Regel von [[Logikbaustein|Logikschaltungen]] oder [[Mikrocontroller]]n generiert, welche das [[Signal#Signal in der Nachrichtentechnik|Signal]] an Standard-Logikausgängen zur Verfügung stellen. Da diese meist nur Ströme im zweistelligen [[Ampere|Milliamperebereich]] verkraften können, werden direkt angeschlossene Leistungstransistoren verhältnismäßig langsam umgeschaltet. Dementsprechend hoch sind die während des Umschaltens auftretenden Verluste. Gleichzeitig bildet die Gatekapazität des Transistors für den treibenden Logikausgang im Schaltmoment einen elektrischen Kurzschluss. Ohne Schutzmaßnahmen kann dies zu einer stromseitigen Überlastung des Treiberbausteins führen, die ihn bedingt durch die Erwärmung aufgrund ohmscher Verluste im Strompfad zerstören kann. Um dem entgegenzuwirken, werden zwischen den Logikausgängen und den Leistungstransistoren dem Einsatzzweck angepasste Treiberschaltungen (Gate-Treiber) verwendet.

== Treiberschaltungen ==

=== Ansteuerung einzelner Transistoren ===

Um einzelne Leistungstransistoren schnell umschalten zu können, bieten sich diskrete elektronische Schaltungen oder fertige Treiber-ICs an. Die folgenden diskreten Treiberschaltungen beziehen sich auf das Ansteuern von n-Kanal-Transistoren. Analog dazu können die Treiberschaltungen durch Ändern der [[Elektrostatik#Potential und Spannung|Bezugspotentiale]] auch für p-Kanal-Transistoren eingesetzt werden.

==== Einfache Treiberschaltung ====

[[Datei:Gatetreiber diskret simple.PNG|miniatur|rechts|Einfache Treiberschaltung mit Pull-up-Widerstand.]]

Die einfachste Form einer Treiberschaltung besteht aus einem Bipolartransistor ''T1'' mit Kollektorwiderstand ''R2'' als [[Open circuit#Pull-up|Pull-up-Widerstand]]. Wird am Steuereingang ''IN'' keine Spannung angelegt, so sperrt der Bipolartransistor ''T1'' und das Gate des Leistungstransistors ''Q1'' wird durch den Widerstand ''R2'' auf die Betriebsspannung ''VT'' der Treiberschaltung gezogen. Die Gate-Kapazität lädt sich somit über diesen Widerstand ''R2'' auf und der Leistungstransistor ''Q1'' beginnt zu leiten. Wird nun am Steuereingang ''IN'' eine Spannung angelegt, so schließt der Bipolartransistor ''T1'' das Gate des Leistungstransistors ''Q1'' kurz, wodurch die Gate-Kapazität entladen wird und der Transistor ''Q1'' zu sperren beginnt.

Der Leistungstransistor ''Q1'' wird also über einen Widerstand ''R2'' eingeschaltet und durch [[Elektrischer Kurzschluss|Kurzschließen]] der Gate-Spannung ausgeschaltet. Da der Entladestrom durch den Bipolartransistor ''T1'' in diesem Fall deutlich höher ist als der Ladestrom durch den Widerstand ''R2'', wird der Transistor ''Q1'' schneller aus- als eingeschaltet. Dieses Verhalten kann unter Umständen sogar gewünscht sein, da ein zu schnelles Einschalten des Leistungstransistors eine hohe [[Elektromagnetische Verträglichkeit|elektromagnetische Emission]] zur Folge hat.

==== Logikgatter-Treiberschaltung ====

[[Datei:Gatetreiber diskret gatter.PNG|miniatur|rechts|Treiberschaltung mit parallel geschalteten Logikgattern.]]

Wie bereits erwähnt liefert ein Logikausgang nur geringe Ausgangsströme. Durch [[Parallelschaltung|Parallelschalten]] mehrerer Logikgatter ''U1B-U1F'' können deren Ausgangsströme addiert werden, wodurch in Summe ein zur Ansteuerung von Leistungstransistoren ''Q1'' geeignet hoher Ausgangsstrom fließen kann. Wichtig bei der Parallelschaltung von Logikgattern ist eine steile Signalflanke am Eingang, um ein nahezu zeitgleiches Umkippen aller Gatter zu erreichen. Um ein derartiges Signal sicher zu erzeugen, kann eines dieser Gatter ''U1A'' vorgeschaltet werden, um das Eingangssignal zu formen. Das Logikgatter kann beispielsweise vom Typ HC4069 sein, um eine höhere Treiberspannung als 5&nbsp;V zu erreichen.

==== Gegentakt-Treiberschaltung ====

[[Datei:Gatetreiber diskret pushpull.PNG|miniatur|rechts|Die Gegentaktschaltung ermöglicht hohe Treiberströme. Das Widerstands-Diodennetzwerk bestimmt die Schaltzeiten der Endstufe.]]

Um noch höhere Ausgangsströme liefern zu können, kann die Treiberschaltung als [[Gegentaktendstufe]] ausgeführt werden. Damit die Umschaltzeiten nicht zu klein und damit die elektromagnetische Emission zu groß wird, wird zwischen dem Gate des Leistungstransistors ''Q1'' und der Gegentaktendstufe ein Widerstand ''R2'' eingefügt. Durch Parallelschalten einer Widerstands-Dioden-Kombination ''R3+D1'', die für den Einschaltvorgang den Gesamtwiderstand reduziert, kann man erreichen, dass der Leistungstransistor ''Q1'' schneller ein- als ausschaltet. Schnelles Einschalten verringert Schaltverluste, langsameres Abschalten reduziert Spannungsspitzen durch [[Induktivität#Induktivität als störende Eigenschaft|parasitäre Induktivitäten]].

=== Ansteuerung einer Halbbrücke ===

Für gewisse Anwendungen ist es nötig, eine Last nicht mit nur einem Leistungstransistor, sondern über eine [[Brückenschaltung#Energietechnik bzw. Leistungselektronik|Halbbrücke]] zu schalten. Die einfachste Form einer Halbbrücke besteht aus einer Kombination von n-Kanal-Transistor und p-Kanal-Transistor. Für jeden Transistor kann nun eine Treiberschaltung eingesetzt werden, um die Transistoren gegensinnig anzusteuern.

Da p-Kanal-Transistoren in der Regel schlechtere Eigenschaften haben als n-Kanal-Transistoren, werden in der Leistungselektronik ausschließlich Halbbrücken mit n-Kanal-Transistoren aufgebaut. Für die Ansteuerung des high-side-Transistors ergeben sich jedoch Probleme dadurch, dass sich das Potenzial der Steuerspannung am Gate nicht, wie bei Verwendung eines p-Kanal-Transistors an dieser Stelle, auf das positive Potenzial der Versorgungsspannung, sondern auf das mitunter schnell veränderliche Potenzial des Mittelpunkts der Halbbrücke bezieht. Insbesondere wäre der Transistor nicht voll durchzusteuern, wenn das Gate-Potenzial nur bis auf das der Versorgung angehoben werden könnte. Es bedarf einer eigenen Treiberschaltung.

==== Treiberschaltung mit Bootstrapping ====

[[Datei:Gatetreiber diskret highside.PNG|miniatur|rechts|Ansteuerung einer n-Kanal-Halbbrücke durch eine Bootstrapping-Schaltung.]]

Um den oberen Transistor ''Q1'' in einer n-Kanal-Halbbrücke durchschalten zu können, muss zwischen dem Ausgang der Halbbrücke (Verbindungspunkt beider Leistungstransistoren ''Q1, Q2'') und dem Gate eine Spannung angelegt werden. Dies kann mit Hilfe einer [[Bootstrapping (Elektrotechnik)|Bootstrapping-Schaltung]] geschehen.

Wird am Steuereingang ''IN'' eine Spannung angelegt, so wird der untere Leistungstransistor ''Q2'' (langsam) durchgeschaltet. Gleichzeitig wird die Gate-Spannung des oberen Leistungstransistors ''Q1'' über den Bipolartransistor ''T1'' kurzgeschlossen. Am Ausgang der Halbbrücke liegt somit [[Masse (Elektronik)|Massepotenzial]] an, wodurch sich der Kondensator ''C1'' über die [[Diode]] ''D1'' auflädt. Wird nun der Steuereingang ''IN'' mit Masse verbunden, so sperrt nicht nur der untere Leistungstransistor ''Q2'', sondern auch der Bipolartransistor ''T1'', wodurch sich die Gate-Kapazität des oberen Leistungstransistors ''Q1'' über den Widerstand ''R1'' auflädt, zunächst aus der Versorgungsspannung ''VP''. Wenn die Ausgangsspannung steigt, durch eine induktive Last oder weil der obere Leistungstransistor ''Q1'' zu leiten beginnt, pflanzt sich dieser Spannungshub über den Kondensator ''C1'' fort, die Diode ''D1'' sperrt und das Potenzial für die Versorgung des Gates steigt wie gewünscht über das der Versorgungsspannung ''VP'' an. Ohne die [[Bootstrapping (Elektrotechnik)|Bootstrapping-Schaltung]], bestehend aus der Diode ''D1'' und dem Kondensator ''C1'', würde der Ausgang der Halbbrücke maximal das Spannungspotential VP minus der minimalen [[Schwellenspannung|Schwellspannung]] des Leistungstransistors ''Q1'' annehmen (VP - V<sub>GS</sub>).

Da die Versorgungsspannung ''VP'' kurzgeschlossen wird, falls beide Leistungstransistoren ''Q1, Q2'' gleichzeitig leiten, ist es wichtig, dass jeweils ein Leistungstransistor ''Q1/Q2'' sperrt, ehe der andere ''Q2/Q1'' leitet. Dies wird bei dieser Schaltung durch ungleiche Einschalt- und Ausschaltzeiten der Leistungstransistoren ''Q1, Q2'' erreicht.

Es ist mit dieser Treiberschaltung nicht möglich, den oberen Leistungstransistor ''Q1'' statisch einzuschalten, da der Bootstrap-Kondensator ''C1'' durch [[Leckstrom|Leckströme]] seine Ladung verliert. Bevor der obere Leistungstransistor ''Q1'' aus der Sättigung kommt, muss der untere Leistungstransistor ''Q2'' wieder eingeschaltet werden.

==== Treiberschaltung mit isolierter Versorgungsspannung ====

Eine andere Möglichkeit, den oberen Leistungstransistor einer n-Kanal-Halbbrücke durchschalten und sogar statisch einschalten zu können, besteht darin, die Treiberstufe [[Galvanische Trennung|galvanisch getrennt]] zu versorgen, etwa durch einen [[Gleichspannungswandler|Schaltwandler]] oder eine [[Ladungspumpe]]. Hierfür gibt es Treiber-ICs, welche die nötige Schaltung zum Großteil bereits integriert haben.

=== Sonstige Treiberschaltungen ===
Bei [[Schaltnetzteil|Schaltwandlern]] kann es nötig sein, die Leistungstransistoren galvanisch getrennt anzusteuern, um die galvanische Trennung des Schaltwandlers zu wahren. Über [[Transformator]]en ([[Übertrager|Impulstransformatoren]]) kann bei geeigneter Schaltung der zur Ansteuerung des Leistungstransistors nötige Steuerstrom übertragen werden. Somit ist es nicht nötig, dass die Treiberspannung auf der Sekundärseite eigens erzeugt wird.

Generell gibt es für jede Anwendung eine geeignete integrierte Lösung. Speziell bei Halbbrückentreiber-Chips ergibt sich ein deutlicher Vorteil gegenüber einer diskreten Lösung. Damit die Versorgungsspannung beim Umschalten der Halbbrücke nicht kurzzeitig kurzgeschlossen wird, generieren einige Treiberchips eine Totzeit (Verriegelungszeit). Somit wird sichergestellt, dass zu keiner Zeit beide Transistoren leiten.

== Praxis ==
Speziell bei hohen Strömen treten [[Spannungsabfall|Spannungsabfälle]] durch Leitungswiderstände und Spannungsspitzen aufgrund von parasitären Induktivitäten in den Masseverbindungen auf. Diese Spannungsdifferenzen führen zu Potenzialunterschieden zwischen der Treiberschaltung und dem Leistungstransistor, wodurch die Steuerspannung am Gate des Leistungstransistors deutlich höher sein kann, als die Versorgungsspannung der Treiberschaltung. Durch zu hohe Spannungen am Gate eines Leistungstransistors können diese zerstört werden. Es ist somit auf eine gute [[Massefläche#Störungsverminderung|Masseführung]] zu achten, um diese Effekte zu minimieren. Außerdem bieten einige Transistoren durch einen zusätzlichen (vierten) Anschluss die Möglichkeit, das Bezugspotential der Steuerspannung unabhängig vom Strompfad des Leistungskreises anzuschließen (meist als „Kelvin Source“ oder „Driver Source“ bezeichnet). Dieser ist innerhalb des Transistors zwar auch mit dem Source-Potential des [[Die (Halbleitertechnik)|Dies]] verbunden, ermöglicht aber aufgrund separater Bonddrähte eine direktere Anbindung des Treibers und damit eine deutliche Verringerung der oben genannten Spannungsspitzen.

== Literatur ==
* Ulrich Tietze, Christoph Schenk: ''Halbleiter-Schaltungstechnik'' 12. Auflage, Springer, Berlin, Heidelberg, New York, 2002, ISBN 3-540-42849-6
* Ulrich Schlienz: ''Schaltnetzteile und ihre Peripherie'' 3. Auflage, Vieweg & Sohn Verlag | GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2007, ISBN 978-3-8348-0239-2

== Weblinks ==
* [https://www.mikrocontroller.net/articles/Treiber Erklärung von Treiberschaltungen]
* [https://www.mikrocontroller.net/articles/MOSFET-%C3%9Cbersicht#MOSFET-Treiber Übersicht über handelsübliche Treiberbausteine]
* [https://www.joretronik.de/Web_NT_Buch/Kap5/Kapitel5.html Jörg Rehrmann, das neue InterNetzteil- und Konverter-Handbuch (viele Anwendungsbeispiele)]

== Siehe auch ==
* [[Leistungstreiber]]
* [[Booster (Elektrotechnik)]]

[[Kategorie:Verstärker]]
[[Kategorie:Leistungselektronik]]