Betrachten wir reale Schaltungen der Leistungselektronik mit echten Schaltern. Schalter werden üblicherweise von Mikrocontrollern angesteuert. Diese geben an ihren I/O-Pins Spannungen von entweder 0V (LOW) oder z. B. 5V (HIGH) aus. Die Spannung im Zustand HIGH variiert über die Mikrocontroller-Typen, sie kann auch 3,3V oder 2,5V betragen. Wir gehen in diesem Abschnitt von 5V HIGH-Spannung aus. Mit diesen Steuerspannungen werden reale Schalter angesteuert.
Bauen wir zwei NMOS in eine Halbbrücke mit induktiver Last ein:
Beginnen wir mit Schalter 2. Ist die Gate-Source-Spannung von Schalter 2 größer als UTH, schließt Schalter 2. Dafür muss die Gate-Spannung um UTH über Masse liegen, denn der Source-Anschluss von Schalter 2 liegt auf Masse.
Der Mikrocontroller, der die Schalter ansteuert, hat Massebezug. Deshalb ist die Ansteuerung dieses Schalters mit einem Mikrocontroller-Pin einfach. Mit den 5V eines Mikrocontroller-I/O-Pins kann Schalter 2 geöffnet und geschlossen werden.
Weil Schalter 2 in der Halbbrücke unten sitzt, wird er aus LOW-Side-Schalter bezeichnet. Die Bezeichnungen LOW und HIGH für Digitalpegel eines Mikrocontrollers setze ich hier voraus.
Betrachten wir den HIGH-Side-Schalter 1. Sein Source-Potential entspricht der Ausgangsspannung. Die Ausgangsspannung entspricht entweder 0V oder der Quellenspannung von 400V. Die Gate-Spannung muss gegen dieses Potential um mindestens eine Schwellenspannung UTH größer sein. Die Gate-Spannung muss entweder größer als 2V oder größer als 402V sein, je nach Ausgangsspannung der Schaltung. Wie kann das realisiert werden?
Treiberschaltung
Eine Treiberschaltung steuert das Gate-Potential eines Mosfets relativ zum Source-Potential an. Egal wie hoch das Source-Potential ist, das Gate-Potential ist entweder sicher größer oder sicher kleiner als die Schwellspannung. Dafür wird eine Signalübertragung benötigt, die keine elektrische Gleichspannungskopplung aufweisen darf. Dies wird z. B. über Optokoppler realisiert.
Ein Optokoppler ist ein opto-elektrisches Bauelement. Die Eingangsspannung ist massebezogen. Ein Mikrocontroller kann diesen Eingang also direkt mit einem I/O-PIN ansteuern. Die I/O-Spannung steuert eine LED über einen Vorwiderstand an. Das Licht der LED wird von einem Photosensor aufgenommen und in eine Steuer-Spannung für das Gate USensor verwandelt. Die Steuerspannung wird zwischen Gate und Source des Mosfets angelegt. Dabei dürfen LED und Photosensor nicht elektrisch miteinander verbunden sein. Sie sind optisch verkoppelt, denn die Sensorspannung ist groß, wenn die LED leuchtet, und klein, wenn die LED aus ist.
Das Source-Potential kann mit diesem Trick ein völlig anderes Potential als Masse aufweisen.
Eingangs- und Ausgangsschaltung eines Treibers brauchen jeweils Versorgungsspannungen. Am Eingang liegt üblicherweise die Versorgungsspannung des Mikrocontrollers an, die sowieso in der Schaltung verfügbar ist. Das ist in diesem Fall 5V.
Ein Mosfet schaltet schneller bei höherer Gate-Spannung. Deshalb wird die Gate-Source-Spannung gerne mit ±15V betrieben. Bei +15V schaltet der Mosfet schneller ein als z. b. bei 3V. Bei -15V schaltet er schneller ab als bei 0V. Wird am Eingang eine logische 0 (0V) angelegt, legt der Treiber das Gate-Signal also auf 15V unter Source-Potential. Liegt am Eingang eine logische 1 (z. B. 5V) an, legt der Treiber das Gate-Signal auf 15V über Source-Potential. Dafür braucht die Ausgangsschaltung des Treibers ±15V Versorgungsspannung. Dieses Problem löst ein Treiber intern, darauf gehen wir hier nicht weiter ein.
Die Sensorspannung dient dazu, die Information „Schalter geschlossen“ oder „Schalter offen“ im Ausgangsteil des Treibers verfügbar zu machen. Mit dem Ausgang eines Photosensors kann man noch kein Gate ansteuern das ±15V benötigt. Zwischen Fotosensor und Gate liegt eine Boost-Schaltung.
Betrachten wir dafür den Mosfet etwas genauer. Wir können uns seinen Eingang vereinfacht wie einen Kondensator vorstellen, der zwischen Gate und Source verbaut ist. Fließt Strom ins Gate, steigt die Gate-Source-Spannung an. Fließt Strom aus dem Gate heraus, sinkt die Gate-Source-Spannung.
Je mehr Strom fließt, desto schneller schaltet der Mosfet um. Um schnelle Taktfrequenzen in Schaltungen zu erreichen, muss die Umschaltzeit der Schalter minimiert werden. Wir brauchen also eine Stromquellenschaltung mit hohem Ausgangsstrom um die Gate-Kapazität umzuladen. Diese Stromquelle lädt das Gate auf, bis +15V erreicht sind. Oder es entlädt das Gate, bis -15V erreicht sind. Bei +15V ist der Drain-Source-Widerstand minimal klein. Bei -15V ist er maximal groß.
Es fließt kein Strom dauerhaft in ein Gate hinein oder aus einem Gate hinaus. Der Strom ist nur für das Umschalten notwendig.
Treiber sind so ausgelegt, dass sie einen Mosfet maximal schnell umschalten. Um die Schaltgeschwindigkeit zu reduzieren, kann ein Gate-Vorwiderstand RG in Reihe zwischen Treiberausgang und Gate verbaut werden. Dann fließt weniger Umlade-Strom zwischen Boost-Schaltung und Gate-Kondensator. Der Schaltvorgang wird langsamer.
Wir wollten eine Halbbrücke mit zwei NMOS-Transistoren von einem Mikrocontroller ansteuern. Wir spendieren dafür auch für den LOW-Side-Schalter einen Treiber mit Stromquellenausgang, damit auch dieser NMOS schnell umgeschaltet werden kann. Dann sorgen wir innerhalb des Treibers mit einer Logik dafür, dass niemals beide NMOS gleichzeitig offen oder gleichzeitig geschlossen sind. Sie werden immer im Wechsel ein- und ausgeschaltet.
Ein einziger Treiberbaustein sorgt dafür, dass beide NMOS glücklich sind. Dieser Doppel-Treiber braucht nur einen Steuereingang vom Mikrocontroller, der für den LOW-Side Transistor durchgereicht und für den HIGH-Side-Transistor invertiert wird. Es ergibt sich folgende Schaltung:
