Isolierte Gate-Treiber erweitern Möglichkeiten für Hochspannungs-Leistungselektronik

Leistungselektronik für Hochspannungsanwendungen erfordert zuverlässige Gate-Treiber, die eine sichere galvanische Trennung gewährleisten und gleichzeitig effiziente Schaltvorgänge unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen ermöglichen. STMicroelectronics hat seine STGAP3S-Familie um neue galvanisch isolierte 3A-Gate-Treiber erweitert, die für Anwendungen mit geringerem Gate-Ansteuerstrom entwickelt wurden. Dadurch stehen zusätzliche Optionen für Schaltungen mit Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC) und Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT) in industriellen Stromwandlungssystemen zur Verfügung.

Neue 3A-Gate-Treiber für Anwendungen mit geringerem Gate-Ansteuerstrom
Der STGAP3S3S wurde für SiC-MOSFETs optimiert, während der STGAP3S3IF für IGBTs ausgelegt ist. Die neuen Bausteine ergänzen die bestehenden STGAP3S-Familien mit 6A und 10A und ermöglichen Entwicklern die Auswahl eines Gate-Treibers mit einer besser auf die jeweilige Anwendung abgestimmten Ausgangsstromstärke, ohne auf die verstärkte galvanische Trennung verzichten zu müssen.

Die gesamte STGAP3S-Familie unterstützt Hochspannungssysteme mit Versorgungsspannungen bis zu 1200 V und eignet sich damit für Leistungsfaktorkorrektur (PFC), Schaltnetzteile, DC/DC-Wandler sowie Wechselrichter.

Zu den typischen Einsatzbereichen gehören:

Verstärkte galvanische Trennung erhöht die Zuverlässigkeit in Hochspannungssystemen
Ein wesentliches Merkmal der STGAP3S-Familie ist die verstärkte galvanische Trennung, die die Zuverlässigkeit in elektrisch anspruchsvollen Umgebungen verbessert.

Die Bausteine widerstehen transienten Spannungen von bis zu 9,6 kV und bieten eine Common Mode Transient Immunity (CMTI) von bis zu 200 V/ns. Dadurch bleibt ein stabiler Betrieb auch bei schnellen Spannungsänderungen gewährleistet, wie sie in modernen SiC-basierten Leistungselektroniksystemen auftreten.

Darüber hinaus verfügt die Produktfamilie über unabhängige Sicherheitszertifizierungen nach UL 1577 und IEC 60747-17, welche die Einhaltung international anerkannter Anforderungen an Isolation und elektrische Sicherheit für Hochspannungsanwendungen bestätigen.

Integrierter aktiver Miller-Clamp reduziert externe Komponenten
Im Gegensatz zu den Versionen mit 6A und 10A verfügen die neuen 3A-Gate-Treiber über einen vollständig integrierten aktiven Miller-Clamp einschließlich des zugehörigen MOSFETs.

Diese Integration verhindert ein unbeabsichtigtes Einschalten des Leistungsschalters infolge der Miller-Kapazität und reduziert damit das Risiko von Shoot-Through-Strömen. Gleichzeitig werden Leiterplattenfläche, Schaltungsaufwand und Stückliste reduziert, ohne die Klemmleistung für Gate-Ansteuerströme bis 3A zu beeinträchtigen.

Die leistungsstärkeren Serien STGAP3S6 und STGAP3SX verfügen dagegen über einen Vortreiber für einen externen MOSFET. Dadurch lässt sich die Klemmgeschwindigkeit bei Anwendungen mit höheren Gate-Ansteuerströmen gezielt optimieren.

Integrierte Schutzfunktionen unterstützen einen sicheren Schaltbetrieb
Alle Gate-Treiber der STGAP3S-Familie verfügen über eine Desaturation-Erkennung mit Soft-Turn-Off-Funktion. Dadurch werden Leistungshalbleiter bei Überlast- oder Kurzschlussbedingungen durch kontrollierte Spannungs- und Stromübergänge geschützt.

Bei den 6A- und 10A-Versionen sowie beim neuen 3A-Treiber für SiC-MOSFETs kann zusätzlich ein externer Widerstand angeschlossen werden, um die Geschwindigkeit des Soft-Turn-Off an die jeweilige Anwendung anzupassen.

Zu den weiteren Schutz- und Diagnosefunktionen gehören:

Diese Diagnosefunktionen vereinfachen die Systemüberwachung und unterstützen ein effektives Fehlermanagement in industriellen Leistungselektroniksystemen.

Evaluierungsboards erleichtern die Entwicklung
Für die Evaluierung der neuen Gate-Treiber stellt STMicroelectronics passende Evaluierungsboards zur Verfügung.

Die Halbbrücken-Evaluierungsboards EVLSTGAP3S3S und EVLSTGAP3S3IF verfügen über vorkonfigurierte Schutzschaltungen, Diagnose-LEDs sowie Messpunkte, mit denen Entwickler das Schaltverhalten und die Schutzfunktionen während der Entwicklung analysieren können.

Verfügbarkeit
Das vollständige STGAP3S-Portfolio mit den neuen STGAP3S3-Bausteinen sowie den bestehenden Serien STGAP3S6 und STGAP3SX befindet sich in Serienproduktion. Alle Gate-Treiber werden im SO16W-Wide-Body-Gehäuse angeboten. Der Stückpreis beginnt bei 1,93 US-Dollar pro Baustein bei einer Bestellmenge von 1.000 Einheiten.

Zusätzlicher Kontext
Dieser Abschnitt enthält technische Hintergrundinformationen und einen Wettbewerbsvergleich, die in der ursprünglichen Produktankündigung nicht enthalten waren.

Galvanisch isolierte Gate-Treiber gewinnen zunehmend an Bedeutung, da industrielle Leistungselektronik auf höhere Schaltfrequenzen und Halbleiter auf Basis von Siliziumkarbid umstellt. Gegenüber herkömmlichen Siliziumbauelementen ermöglichen SiC-MOSFETs höhere Wirkungsgrade und schnellere Schaltvorgänge, stellen jedoch auch höhere Anforderungen an Gate-Treiber hinsichtlich der Beherrschung schneller Spannungsänderungen und der Vermeidung unerwünschter Schaltvorgänge.

Vergleichbare Familien galvanisch isolierter Gate-Treiber werden unter anderem von Infineon Technologies, Texas Instruments, onsemi, Analog Devices und Broadcom angeboten. Viele dieser Lösungen verfügen ebenfalls über verstärkte Isolation, Desaturation-Schutz und eine hohe CMTI. Die neue 3A-Serie von STMicroelectronics unterscheidet sich jedoch durch die direkte Integration des aktiven Miller-Clamp-MOSFETs in den Gate-Treiber. Dadurch lassen sich externe Komponenten einsparen, die Leiterplattenfläche reduzieren und das Design der Leistungsstufe vereinfachen, insbesondere bei Anwendungen mit moderatem Gate-Ansteuerstrom.

Bearbeitet von Sucithra Mani, Redakteurin bei Induportals – mit Unterstützung von KI angepasst.

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