Technologie / Technischer Leitfaden
Gate-Ladung und Treiberleistung: Das Versorgungsmodell definieren
Ein spannungsgesteuertes Leistungsbauelement kann einen wiederholten Ladungstransfer an seiner Steuerelektrode benötigen. Die Versorgungsleistung des Gate-Treibers betrifft diesen Ladungstransferpfad. Sie unterscheidet sich von den Durchlass- und Schaltverlusten des Hauptleistungspfads und lässt sich nicht auf einen einzigen universellen Wert der Gate-Kapazität reduzieren.
Ladung, Ansteuerspannungshub und Wiederholrate gehören zu einem gemeinsam angegebenen Modell.
Ermitteln Sie, welche Energie in die Treiberversorgung gelangt, bevor Sie entscheiden, wo sie gespeichert oder dissipiert wird.
01 / Ladungsmenge
Qg bezieht sich auf einen definierten Übergang und eine definierte Betriebsbedingung.
Die Gate-Ladung ist eine elektrische Ladungsmenge, die mit der Änderung des Gate-Zustands unter festgelegten Bauelement- und Schaltungsbedingungen verbunden ist.
Die Gateladung ist eine Ladungsmenge, die unter festgelegten Bauteil- und Schaltungsbedingungen mit einer Änderung des Gatezustands verbunden ist. Ihre Einheit ist Coulomb. Sie ist keine Kapazität in Farad, obwohl für einen konstanten linearen Kondensator bei einer definierten Spannungsänderung Q = CV gelten würde.
Die gatebezogenen Kapazitäten eines realen Halbleiters können von der Spannung abhängen und mit dem Drain-Schaltübergang wechselwirken. Daher kann ein einzelner Ladungswert nicht als universelle Konstante für jeden Spannungshub oder jeden Zustand des Leistungspfads behandelt werden. Der Leitfaden zur Miller-Kopplung erläutert diese Wechselwirkung gesondert.
02 / Versorgungsmodell
Legen Sie einen unipolaren Ladezyklus ohne Energierückgewinnung fest.
Betrachten Sie eine vereinfachte konstante positive Treiberversorgung Vdrive sowie ein Gate, das in jedem Zyklus von seinem Bezugspotenzial auf diese Versorgungsspannung geladen und ohne Energierückgewinnung wieder auf das Bezugspotenzial entladen wird.
Betrachten Sie eine vereinfachte konstante positive Treiberversorgung Vdrive, ein Gate, das in jedem Zyklus von seinem Referenzpotenzial auf diese Versorgungsspannung geladen wird, und die Entladung zurück auf das Referenzpotenzial ohne Energierückgewinnung. Nehmen Sie an, dass bei jedem vollständigen Ladeübergang unter unveränderten Betriebsbedingungen die Ladung Qg aus dieser Versorgung entnommen wird.
Die für diesen Ladungsübergang bezogene elektrische Energie beträgt Ecycle = VdriveQg. Bei der Wiederholungsfrequenz frep beträgt die dynamische Versorgungsleistung Pdynamic ≈ VdriveQgfrep. Die Berechnung im Referenzdesign von TI nutzt diesen Zusammenhang zwischen Ladung, Spannung und Frequenz und berücksichtigt weiteren Versorgungsverbrauch separat. Der Ausdruck ist kein vollständiges universelles Gate-Treiber-Modell.
03 / Arithmetisches Beispiel
Geben Sie Ladungseinheiten und Zykluszählung ausdrücklich an.
Nehmen wir im angegebenen Versorgungsmodell hypothetisch Qg = 20 nC, Vdrive = 5 V und frep = 1,000 Zyklen/s an.
Nehmen wir hypothetisch Qg = 20 nC, Vdrive = 5 V und frep = 1,000 Zyklen/s im angegebenen Versorgungsmodell an. Die pro Zyklus aufgenommene Energie beträgt 100 nJ, und die mittlere dynamische Leistung beträgt 0.0001 W oder 0.1 mW. Diese erfundenen Größen veranschaulichen lediglich die Rechnung.
Der vollständige Lade- und Entladezyklus wird in diesem Ausdruck einmal gezählt, statt wegen seiner zwei Flanken automatisch mit zwei zu multiplizieren. Bei einer anderen Versorgungsanordnung kann die Zählung der Übergänge anders ausfallen. Keiner dieser angenommenen Werte ist eine MARSTON-Ansteuerspannung, Schaltfrequenz, Nennladung oder Reglereinstellung.
04 / Verbleib der Energie
Die zugeführte Energie wird nicht vollständig in Wärme im Treiberchip umgewandelt.
Für eine hypothetische konstante ideale Gate-Kapazität C, die ausgehend von null über einen dissipativen Pfad durch eine Versorgung mit fester Spannung V geladen wird, liefert die Versorgung CV².
Für eine hypothetische konstante ideale Gate-Kapazität C, die von null aus über einen dissipativen Pfad durch eine Quelle mit fester Spannung V geladen wird, liefert die Quelle CV². Die Hälfte wird als Feldenergie gespeichert, die andere Hälfte wird beim Laden dissipiert. Eine anschließende Entladung ohne Energierückgewinnung dissipiert die gespeicherte Hälfte.
Dieses bekannte Kondensatorbeispiel erklärt, warum sich die über einen vollständigen Zyklus zugeführte Energie von der maximal gespeicherten Energie unterscheidet. In einem realen Gate-Netzwerk kann sich die Wärme auf Treiberausgangsstufen, externe Widerstände und bauelementbezogene Pfade verteilen. Die dynamische Versorgungsleistung entspricht daher nicht automatisch der eigenen Verlustleistung des Treiber-ICs.
05 / Sonstige Beiträge
Für die Verluste des Hauptschalters gilt eine andere Bilanzgrenze.
Ruhestromverbrauch, Leckströme, galvanische Trennschaltungen und Verluste bei der Umwandlung der Versorgungsspannung können zur Energiebilanz der Ansteuerung beitragen.
Ruhestromverbrauch, Leckströme, Schaltungen zur galvanischen Trennung und Verluste bei der Versorgungswandlung können zur Energiebilanz der Ansteuerung hinzukommen. Bipolare Spannungshübe, unvollständige Schaltübergänge oder Ansteuerungen mit Energierückgewinnung benötigen eigene Beziehungen zwischen Ladung und Versorgungsenergie. Ein einzelner Term VdriveQg beschreibt diese Beiträge oder Anordnungen nicht.
Der Schaltverlust des Hauptleistungsbauelements betrifft dagegen die Energie, die während der Schaltübergänge mit Spannung und Strom im Hauptstrompfad verbunden ist. Der Leitfaden zu Schaltverlusten erläutert diese Grenze. Der Versorgungsbedarf des Gate-Treibers und die Verluste im Hauptstrompfad können sich gegenseitig beeinflussen, doch die eine Größe kann nicht einfach die andere ersetzen.
06 / Produktumfang
Ein Ladungsmodell gibt keinen Aufschluss über die Implementierung eines Umrichters.
Eine sinnvolle Interpretation berücksichtigt die Bedingungen der Ladungskurve, den Versorgungsbezug, den gezählten Zyklus, die Wiederholrate und die einbezogenen Verbrauchspfade.
Eine sinnvolle Interpretation berücksichtigt die Bedingungen der Ladungskurve, den Versorgungsbezug, den gezählten Zyklus, die Wiederholrate und die einbezogenen Verbrauchspfade. Der Vergleich von Ladungswerten unter unterschiedlichen Bedingungen kann Unterschiede in den tatsächlichen Schaltübergängen verdecken. Das vereinfachte Modell dient dazu, die Proportionalität zu erklären, und nicht dazu, ein Bauelement oder eine Betriebsrate festzulegen.
Hier werden weder der Typ des Leistungshalbleiters noch die Gate-Treiberschaltung, die Versorgungsspannung oder der Qg-Wert für MARSTON-Geräte bestätigt. Dieser Leitfaden enthält keine Angaben zum Gate-Widerstand, keine Anweisungen zur Anpassung der Schaltzeiten und keine Anschlussanweisungen. Er erläutert die Energiebilanz, ohne Aussagen über die tatsächlich eingesetzte Schalttechnologie oder ein Wirkungsgradergebnis zu treffen.
Verwandte technische Leitfäden: Snubber-Konzepte: Transiente Energie, Spitzenspannung und Dämpfung · Dielektrischer Verlusttangens: Phase, Frequenz und Ersatzmodelle · Signalentprellung: Persistenz, Abtastung und Ereigniszeitpunkte.
Allgemeiner Hintergrund: Texas Instruments: Leistungsanforderungen für Gate-Treiber. Diese Quellen erläutern Branchenkonzepte; sie sind von den geltenden MARSTON-Produkt- und Projektunterlagen zu unterscheiden.
Zentrale Begriffe und Bedingungen.
Lesen Sie jede Größe mit ihrem Bezug, ihren Einheiten und den genannten Bedingungen. Ein allgemeiner Zusammenhang legt keinen modellspezifischen Wert fest.
| Begriff / Größe | Bedeutung / Zusammenhang | Bedingungen / Grenzen |
|---|---|---|
| Gate-Ladung | Qg in C | Festgelegte Übergangs- und Betriebsbedingungen. |
| Treiberversorgung | Vdrive in V | Festes positives unipolares Modell ohne Energierückgewinnung. |
| Energie pro Zyklus | VdriveQg in J | Einmalig aus der angegebenen Versorgung entnommene Ladung. |
| Dynamische Versorgungsleistung | VdriveQgfrep in W | Wiederholte, identische, vollständige Zyklen. |
| Verteilung von Wärme | Treiber im Vergleich zu anderen Pfaden | Die Versorgungsleistung entspricht nicht allein der Verlustleistung des Treiberchips. |
Technische Fragen.
Ist die Gate-Ladung eine Kapazität?
Nein. Ladung wird in Coulomb angegeben; die Kapazität setzt unter einem bestimmten Modell die Ladungsänderung zur Spannung in Beziehung.
Soll die angezeigte Leistungsformel immer mit zwei multipliziert werden?
Nein. Dabei ist bereits ein vollständiger, sich wiederholender Lade- und Entladezyklus gemäß dem angegebenen Modell berücksichtigt.
Wird die gesamte Ansteuerleistung im Treiber-IC dissipiert?
Nein. Energie kann über mehrere Pfade dissipiert werden.
Berücksichtigt die Formel die Leistungsaufnahme der Versorgung im Ruhezustand?
Nein. Zusätzliche Verbrauchsanteile müssen gesondert bilanziert werden.
Kann für eine Gate-Ansteuerung mit Energierückgewinnung dieselbe Formel vorausgesetzt werden?
Nein. Für den Energieaustausch mit seiner Versorgung ist das jeweils zutreffende Modell erforderlich.
Sind 5 V und 1,000 cycles/s Produktanweisungen?
Nein, dies sind hypothetische Werte zur Überprüfung von Einheiten und Berechnungen.
Technische Anfrage
Die technische Frage besprechen.
Ein spannungsgesteuertes Leistungsbauelement kann einen wiederholten Ladungstransfer an seiner Steuerelektrode benötigen. Teilen Sie für eine technische Erörterung das Modell und die zutreffenden Betriebs- oder Auslegungsinformationen mit.