Gate-Treiber Half-Bridge FAN7382, bis 600V, 350mA / 650mA, DIP-8

In diesem Tutorial nehmen wir den Schaltkreis FAN7382 in Betrieb, einen Gate-Treiber für Halbbrücken, der zwei Leistungstransistoren steuert, einen oben und einen unten. Er wird in Schaltnetzteilen, Wechselrichtern, DC-DC-Wandlern und Motortreibern eingesetzt, überall dort, wo ein kleines Logiksignal Transistoren steuern muss, die mit hohen Spannungen arbeiten.

Der Schaltkreis erzeugt die Steuersignale nicht selbst, deshalb brauchen wir einen Mikrocontroller. Wir verwenden ein Arduino Uno Board, das digitale Ausgänge mit 5-V-Logik besitzt, die für die TTL-Eingänge des Treibers ausreichen. Das Arduino Uno ist die einfachste Wahl für diese Schaltung, denn es werden weder WLAN, zusätzlicher Speicher noch eine spezielle Schnittstelle benötigt.

So funktioniert es:

Der Treiber hat zwei Logikeingänge, HIN und LIN, und zwei Ausgänge, HO und LO, die phasengleich zu den Eingängen sind. Pegel 1 gilt ab 2,9 V, Pegel 0 unter 0,8 V. Der Ausgang LO steuert das Gate des unteren Transistors, der Ausgang HO das Gate des oberen Transistors. Jeder Kanal liefert typisch 350 mA beim Einschalten und 650 mA beim Ausschalten.

Die Source des oberen Transistors liegt am Mittelpunkt der Halbbrücke, der zwischen Masse und Busspannung steigt und fällt. Deshalb muss die Versorgung des oberen Kanals diesem Punkt folgen. Sie wird mit einem Bootstrap-Kondensator zwischen VB und VS bereitgestellt. Wenn der untere Transistor leitet, wird VS nahe an Masse gezogen, und der Kondensator wird über eine schnelle Diode von VCC aufgeladen. Die Spannung des oberen Kanals beträgt ungefähr VBS = VCC - VF, wobei VF der Spannungsabfall an der Diode ist. Für VCC = 12 V und VF = 0,7 V ergibt sich eine VBS von etwa 11,3 V, und das liegt über der typischen Einschaltschwelle der UVLO von 9,2 V.

Die Schaltgeschwindigkeit hängt von der Gate-Ladung Qg des Transistors und vom Strom des Treibers ab, nach der Formel t = Qg / I. Für einen Transistor mit Qg = 30 nC ergeben sich bei 350 mA etwa 86 ns zum Einschalten und bei 650 mA etwa 46 ns zum Ausschalten. In der Praxis sind die Zeiten länger, denn der Strom sinkt, während sich das Gate auflädt.

Das vom Programm erzeugte Signal hat die Periode T = tHigh + tDead + tLow + tDead. Mit 40 us, 5 us, 40 us und 5 us ergeben sich 90 us, also etwa 11,1 kHz, wozu noch die Zeit der digitalWrite-Befehle kommt. Die Totzeit verhindert, dass beide Transistoren gleichzeitig leiten, was die Versorgung kurzschließen würde.

Anschluss:

Für den ersten Test verwenden Sie eine Busspannung von 12 V und nicht die maximale Spannung von 600 V. Hohe Spannungen sind gefährlich, nehmen Sie deshalb alle Verbindungen nur im spannungslosen Zustand vor. Versorgen Sie VCC mit 12 V, im Bereich von 10 - 20 V. Die Eingänge HIN und LIN haben TTL-Pegel, sie werden deshalb direkt mit den Pins des Arduino Uno verbunden, ohne Pegelwandler. Masse des Arduino, Masse der Versorgung und COM müssen miteinander verbunden werden. Die Transistoren sind zwei N-Kanal-MOSFETs, und die Last wird zwischen dem Mittelpunkt der Halbbrücke und Masse oder Bus angeschlossen.

Board und Bibliotheken:

Wählen Sie in der Arduino IDE unter Tools > Board das Board Arduino Uno aus dem Paket Arduino AVR Boards. Dieses wird über den Boards Manager installiert und liegt meist schon der Arduino IDE bei. Das Programm verwendet nur die Grundfunktionen der Plattform, deshalb muss keine Bibliothek installiert werden.

Der Code:

Das Programm lädt den Bootstrap-Kondensator kurz auf und erzeugt danach an den Pins 9 und 10 zwei komplementäre Signale mit einer Totzeit zwischen ihnen.

/*
  FAN7382 half-bridge gate driver test
  Board: Arduino Uno (Tools > Board > Arduino AVR Boards > Arduino Uno)
  Libraries: none, only the core Arduino functions are used
  Wiring:
    FAN7382 pin 1 VCC -> +12 V (with 100 nF and 10 uF to COM, bootstrap diode anode)
    FAN7382 pin 2 HIN -> Arduino D9
    FAN7382 pin 3 LIN -> Arduino D10
    FAN7382 pin 4 COM -> Arduino GND, supply GND, low-side MOSFET source
    FAN7382 pin 5 LO  -> low-side MOSFET gate (series resistor)
    FAN7382 pin 6 VS  -> half-bridge midpoint, bootstrap capacitor minus
    FAN7382 pin 7 HO  -> high-side MOSFET gate (series resistor)
    FAN7382 pin 8 VB  -> bootstrap diode cathode, bootstrap capacitor plus
  Test first at a low bus voltage (12 V), never at 600 V.
*/
const uint8_t HIN_PIN = 9;                 // Input of the high-side driver
const uint8_t LIN_PIN = 10;                // Input of the low-side driver
const unsigned int HIGH_ON_US = 40;        // High-side on time in microseconds
const unsigned int LOW_ON_US = 40;         // Low-side on time in microseconds
const unsigned int DEAD_US = 5;            // Dead time between the two switches
const unsigned int BOOT_CHARGE_MS = 10;    // Low-side on time that charges the bootstrap capacitor
void setup() {
  Serial.begin(9600);                      // Start the serial monitor at 9600 baud
  pinMode(HIN_PIN, OUTPUT);                // Configure the control pins as outputs
  pinMode(LIN_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(HIN_PIN, LOW);              // Start with both switches off
  digitalWrite(LIN_PIN, LOW);
  Serial.println(F("FAN7382 half-bridge test"));
  // Turn the low side on to charge the bootstrap capacitor
  digitalWrite(LIN_PIN, HIGH);
  delay(BOOT_CHARGE_MS);
  digitalWrite(LIN_PIN, LOW);
  Serial.print(F("Bootstrap capacitor charged for "));
  Serial.print(BOOT_CHARGE_MS);
  Serial.println(F(" ms"));
  // Compute the nominal period and frequency without the digitalWrite overhead
  unsigned long periodUs = (unsigned long)HIGH_ON_US + LOW_ON_US + 2UL * DEAD_US;
  Serial.print(F("Nominal period: "));
  Serial.print(periodUs);
  Serial.println(F(" us"));
  Serial.print(F("Nominal frequency: "));
  Serial.print(1000000UL / periodUs);
  Serial.println(F(" Hz"));
  Serial.print(F("Dead time: "));
  Serial.print(DEAD_US);
  Serial.println(F(" us"));
  Serial.println(F("Switching started"));
}
void loop() {
  // Low side off, wait for the dead time, then high side on
  digitalWrite(LIN_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(DEAD_US);
  digitalWrite(HIN_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(HIGH_ON_US);
  // High side off, wait for the dead time, then low side on
  digitalWrite(HIN_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(DEAD_US);
  digitalWrite(LIN_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(LOW_ON_US);
}

So funktioniert der Code:

Die Konstanten HIN_PIN und LIN_PIN geben die Pins 9 und 10 an, die mit den Eingängen HIN und LIN verbunden sind. Die Konstanten HIGH_ON_US, LOW_ON_US und DEAD_US legen die Leitdauer jedes Transistors und die Totzeit in Mikrosekunden fest. Die Konstante BOOT_CHARGE_MS bestimmt, wie lange der untere Kanal für das Aufladen des Bootstrap-Kondensators aktiv bleibt.

In der Funktion setup() wird der serielle Monitor mit 9600 Baud gestartet, beide Pins werden als Ausgänge konfiguriert und auf LOW gesetzt, damit beide Transistoren gesperrt starten. Danach wird LIN für BOOT_CHARGE_MS Millisekunden auf HIGH gesetzt, was den Bootstrap-Kondensator lädt, und anschließend wieder auf LOW gesetzt. Zum Schluss werden die Nennperiode und die Nennfrequenz in der Variablen periodUs berechnet und angezeigt.

Die Funktion loop() wiederholt endlos dieselbe Abfolge. Zuerst wird LIN auf LOW gesetzt, dann wird die Totzeit abgewartet, danach wird HIN für HIGH_ON_US Mikrosekunden auf HIGH gesetzt. Anschließend wird HIN wieder auf LOW gesetzt, erneut die Totzeit abgewartet, und LIN wird für LOW_ON_US Mikrosekunden auf HIGH gesetzt. Zu keinem Zeitpunkt sind die beiden Pins gleichzeitig auf HIGH.

Ergebnis:

Öffnen Sie den seriellen Monitor mit 9600 Baud. Nach dem Reset des Boards erscheinen die Startmeldungen, die Dauer der Bootstrap-Ladung sowie die Nennwerte für Periode und Frequenz. Mit einem Oszilloskop oder einem Logikanalysator an den Pins HO und LO sehen Sie zwei komplementäre Signale mit einer Pause von etwa 5 us zwischen ihnen.

FAN7382 half-bridge test
Bootstrap capacitor charged for 10 ms
Nominal period: 90 us
Nominal frequency: 11111 Hz
Dead time: 5 us
Switching started

Häufige Probleme:

Der Ausgang HO schaltet nicht. Die häufigste Ursache ist ein nicht geladener Bootstrap-Kondensator oder eine verkehrt herum eingebaute Diode. Prüfen Sie, ob die Anode der Diode an VCC und die Kathode an VB liegt und ob LO lange genug aktiv war, bevor der erste Befehl für HO kommt.

Beide Kanäle bleiben inaktiv. Prüfen Sie die Versorgung VCC, die über der UVLO-Schwelle von typisch 9,2 V liegen muss, und ob der Pin COM mit der Masse des Arduino verbunden ist. Ohne gemeinsame Masse werden die Logikpegel nicht erkannt.

Die Transistoren werden stark warm. Möglicherweise leiten sie gleichzeitig. Messen Sie mit dem Oszilloskop die Signale an HO und LO und erhöhen Sie die Totzeit DEAD_US, bis sie sich nicht mehr überlappen.

Es treten Schwingungen an den Gates oder unregelmäßiges Schalten auf. Setzen Sie die Vorwiderstände von 10 - 47 Ohm möglichst nahe an die Gates, verkürzen Sie die Leiterbahnen und fügen Sie den 100-nF-Kondensator direkt zwischen VCC und COM ein.

Der obere Kanal setzt nach langer Leitdauer aus. Der Bootstrap-Kondensator entlädt sich allmählich. Verwenden Sie einen Betrieb mit Pausen, in denen der untere Transistor den Kondensator erneut lädt.

Einschränkungen und Tipps:

Der Schaltkreis hat zwei unabhängige Kanäle und enthält keinen internen Schutz gegen gleichzeitiges Leiten, deshalb bleibt die Totzeit Aufgabe des Steuersignals. Die Versorgung des oberen Kanals über Bootstrap erfordert periodisches Schalten, deshalb kann der obere Transistor nicht dauerhaft eingeschaltet bleiben.

Das Testprogramm mit digitalWrite erreicht etwa 11 kHz und hat kleine Zeitschwankungen wegen der Interrupts des Arduino. Für hohe Frequenzen und genaue Zeiten verwenden Sie die Hardware-Timer des Mikrocontrollers.

Wenn die Schaltung bei 12 V zuverlässig funktioniert, kann die Busspannung schrittweise erhöht werden, mit Vorsicht vor gefährlichen Spannungen und mit Transistoren, die dafür ausgelegt sind. Darauf aufbauend lassen sich eine Halbbrücke für einen Motor, ein Buck-Wandler oder eine Vollbrücke aus zwei solchen Treibern aufbauen.