gate off

Gate off bedeutet, den Stromfluss durch ein Halbleiterbauelement zu unterbrechen, indem eine Sperrspannung auf seinen Gate-Anschluss gelegt wird. In der Leistungselektronik heißt das, die Leitung durch einen Transistor, Thyristor oder ein anderes gesteuertes Bauelement zu stoppen, indem man das Gate-Signal entfernt oder umkehrt. Das Gate ist die Steuerelek­trode, deren Spannung bestimmt, ob das Bauelement leitet oder sperrt. Durch seine Sperre wird der Schalter ohne mechanischen Kontakt geöffnet.

Der Begriff gilt für mehrere Bauelement­familien. MOSFETs werden gesperrt, indem die Gate-Spannung unter die Schwellenspannung reduziert wird, typisch 2 bis 5 Volt bei Logic-Level-Bauelementen oder 10 bis 15 Volt bei Power-MOSFETs. IGBTs werden ähnlich gesperrt, halten aber Ladung im Basisbereich, die abfließen muss und während des Ausschaltens einen Restrom erzeugt. Thyristoren und SCRs sind komplexer: Sie können nach dem Zünden nicht elektronisch gesperrt werden; sie müssen durch Reduzierung des Anodenstroms unter den Haltestrom abgeschaltet werden, oder durch Anwendung einer Gegenspannung über eine Kommutierungsschaltung.

Schaltgeschwindigkeit und Schaltungsdesign

Wie schnell ein Bauelement sperrt, ist entscheidend. Ein MOSFET kann in Nanosekunden sperren, weil die Ladung die Gate-Kapazität schnell verlässt, aber der tatsächliche Stromabfall hängt von der parasitären Induktivität in der Schleife ab. Ein IGBT schaltet langsamer aus, oft in hunderten von Nanosekunden, weil in der Basis eingefangene Ladung Zeit zum Rekombinieren braucht. Schnelles Sperren verringert Schaltverluste und Wärmeentwicklung, erzeugt aber elektromagnetisches Rauschen, das durch Snubber-Schaltungen oder Gate-Widerstände gefiltert werden muss.

In Motorantrieben und Stromversorgungen ermöglicht das Sperren eines Bauelements in einem Schalter­paar, zum Beispiel einer Halbbrücke, während gleichzeitig das andere durchgeschaltet wird, die PWM-Regelung von Ausgangsspannung und -strom. Die Totzeit, eine Phase in der beide Bauelemente sperren, verhindert Durchschuss, bei dem beide gleichzeitig leiten und die Versorgung kurzschließen. Schutzschaltungen müssen schnell genug sperren, um Schäden bei erkannten Fehlern zu verhindern, etwa Überstrom oder Überspannung; daher ist der Gate-Treiber selbst ein kritisches Schaltungselement.

Die Sprache spiegelt den Steuerungsmechanismus wider: Man sperrt ein elektronisches Bauelement ähnlich wie man ein Tor vor einem physischen Durchgang schließt. Das Gate kontrolliert den Zugang. Anders als mechanische Schalter, die einfach offen oder geschlossen sind, existieren gesteuerte Bauelemente in einem Spektrum von gesperrt über teilweise leitend bis vollständig leitend, je nach Gate-Spannung. Das macht sie unverzichtbar für analoge Regelung und Schaltnetzteilumwandlung.