Zukunftssichere Lösung für die Stromverteilung
22.03.2024
Es besteht eine steigende Nachfrage nach verbesserter Effizienz bei höherer Ausgangsleistung für Automobil-, Industrie- und Wechselrichteranwendungen. Für Elektrofahrzeuge (EVs) ist diese Verbesserung entscheidend, um die Leistung und Reichweite durch effizientere Motorantriebe und schnellere Batterieladegeräte zu erhöhen. Für die Industrie ist eine verbesserte Effizienz von entscheidender Bedeutung für die Senkung des weltweiten Energieverbrauchs und die Verbesserung der Nachhaltigkeit, weshalb der Schwerpunkt derzeit auf den Effizienzvorteilen der DC-Microgrid-Technologie liegt. Im Bereich der grünen erneuerbaren Energien fördern hohe Wirkungsgrade die Nutzung von Photovoltaik, Wasser- und Windenergie, um ein Maximum an Energie aus den begrenzten natürlichen Ressourcen zu gewinnen.
Um dieses wesentliche Effizienzziel zu erreichen, geht die Leistungselektronik zu höheren Schaltfrequenzen und Spannungen über, während sie gleichzeitig versucht, das Verhältnis zwischen Kosten und Leistung auszugleichen und die Gesamtgröße zu reduzieren (Abbildung 1).
Ein solcher Übergang erfordert jedoch die Integration von Halbleiterbauelementen der nächsten Generation, wobei regelmäßig neue Iterationen von Leistungs-MOSFETs und SiCs und GaNs mit breitem Bandabstand auf den Markt kommen.
Dies stellt eine Herausforderung für Entwicklungsingenieure dar: Wie kann ich in einem Umfeld, das von ständigen Fortschritten in der Technologie der Leistungsschalttransistoren geprägt ist, meine Leistungsstufen zukunftssicher machen, damit sie die Vorteile dieser neuen Generationen nutzen können, ohne dass sie ständig neu entwickelt werden müssen?
Nehmen wir als Beispiel eine typische Anforderung an das Stromversorgungsdesign:
Es wird eine Lösung für ein fortschrittliches dreiphasiges Batterieladegerät für Elektrofahrzeuge mit hoher Effizienz und geringer Größe benötigt. Die Leistungsstufe sollte bidirektional und in beiden Richtungen gleich effizient sein: von AC zu DC und von DC zu AC. Die AC-Seite sollte über eine aktive Leistungsfaktorkontrolle (PFC) verfügen und die DC-Seite sollte niedrige Schaltverluste aufweisen und mit Akkupacks mit Spannungen von bis zu 800 VDC kompatibel sein. Das Design sollte mit einer hohen Schaltfrequenz arbeiten, um die Größe und das Gewicht der induktiven Komponenten zu reduzieren.
Dies stellt eine Herausforderung für Entwicklungsingenieure dar: Wie kann ich in einem Umfeld, das von ständigen Fortschritten in der Technologie der Leistungsschalttransistoren geprägt ist, meine Leistungsstufen zukunftssicher machen, damit sie die Vorteile dieser neuen Generationen nutzen können, ohne dass sie ständig neu entwickelt werden müssen?
Nehmen wir als Beispiel eine typische Anforderung an das Stromversorgungsdesign:
Es wird eine Lösung für ein fortschrittliches dreiphasiges Batterieladegerät für Elektrofahrzeuge mit hoher Effizienz und geringer Größe benötigt. Die Leistungsstufe sollte bidirektional und in beiden Richtungen gleich effizient sein: von AC zu DC und von DC zu AC. Die AC-Seite sollte über eine aktive Leistungsfaktorkontrolle (PFC) verfügen und die DC-Seite sollte niedrige Schaltverluste aufweisen und mit Akkupacks mit Spannungen von bis zu 800 VDC kompatibel sein. Das Design sollte mit einer hohen Schaltfrequenz arbeiten, um die Größe und das Gewicht der induktiven Komponenten zu reduzieren.
Eine mögliche Lösung, die eine dreiphasige PFC, eine bidirektionale Vollbrücken-LLC und einen aktiven Gleichrichter umfasst, ist in Abbildung 2 dargestellt. Diese Lösung erfordert vierzehn Leistungstransistoren, die für ein optimales Kosten-Leistungs-Verhältnis eine Mischung aus MOSFET, SiC und möglicherweise GaN-Bauteilen sein könnten.
Alle Leistungstransistoren benötigen individuelle Gate-Treiber, wobei die High-Side-Transistoren (Q1, Q3, Q5, Q7, Q9, Q11 und Q13) ebenfalls galvanisch isoliert werden müssen. Wenn die Gate-Treiber über separate Out+ und Out- Pins verfügen, können unterschiedliche Gate-Widerstände für die Ein- und Ausschaltzyklen verwendet werden, um die Schalteigenschaften zu optimieren.
Außerdem können die isolierten Spannungen Vpos und Vneg so gewählt werden, dass der Transistor während des Ein-Zyklus vollständig verstärkt wird und die Gate-Kapazität während des Aus-Zyklus schnell entladen wird. Eine negative "Aus"-Spannung macht das Schalten auch zuverlässiger, da ein falsches Einschalten aufgrund von Source-Induktivitäten vermieden wird1. Genau hier liegt das Problem: Verschiedene Schalttechnologien und Transistorgenerationen haben unterschiedliche empfohlene und absolute maximale Gate-Drive-Pegel (Abbildung 3).
Alle Leistungstransistoren benötigen individuelle Gate-Treiber, wobei die High-Side-Transistoren (Q1, Q3, Q5, Q7, Q9, Q11 und Q13) ebenfalls galvanisch isoliert werden müssen. Wenn die Gate-Treiber über separate Out+ und Out- Pins verfügen, können unterschiedliche Gate-Widerstände für die Ein- und Ausschaltzyklen verwendet werden, um die Schalteigenschaften zu optimieren.
Außerdem können die isolierten Spannungen Vpos und Vneg so gewählt werden, dass der Transistor während des Ein-Zyklus vollständig verstärkt wird und die Gate-Kapazität während des Aus-Zyklus schnell entladen wird. Eine negative "Aus"-Spannung macht das Schalten auch zuverlässiger, da ein falsches Einschalten aufgrund von Source-Induktivitäten vermieden wird1. Genau hier liegt das Problem: Verschiedene Schalttechnologien und Transistorgenerationen haben unterschiedliche empfohlene und absolute maximale Gate-Drive-Pegel (Abbildung 3).
Ein Gate-Treiber-Design, das für IGBTs mit asymmetrischen Versorgungsspannungen von +15/-9V optimiert wurde, würde einen SiC der ersten oder zweiten Generation mit nur 1V Headroom bis zur negativen abs. max. Grenze stark belasten und mit einem SiC-Transistor der dritten Generation überhaupt nicht funktionieren. Ein ähnliches Problem besteht bei einem Design, das von einem SiC der ersten Generation auf einen SiC der zweiten oder dritten Generation umgestellt werden muss - die positive Schiene von +20V würde der abs. max.-Grenze der neueren Generationen entsprechen oder diese überschreiten, was zu einem frühen Ausfall führen würde.
Die Tendenz geht dahin, dass jede neue Generation von Leistungstransistoren mit niedrigeren Gate-Treiber-Spannungsniveaus vollständig verbessert oder erschöpft wird, aber die optimalen Gate-Treiber-Spannungsniveaus werden immer noch je nach Hersteller, Entwicklungs-Iteration und Transistortyp variieren. Da die isolierte Gate-Treiber-Versorgungsspannung (Vpos und Vneg)entweder durch einen Trenntransformator oder einen isolierten DC/DC-Wandlerbereitgestellt wird, sind für jede Auswahl von Leistungstransistoren andere Lösungen erforderlich, auch wenn der Gate-Treiber selbst für alle Transistortypen verwendbar ist. Das bedeutet, dass selbst die Verwendung eines Pin-kompatiblen Second-Source-Schalttransistors erhebliche Änderungen am Design der isolierten Stromversorgung erfordern kann.
Was wir brauchen, ist eine programmierbare, isolierte, asymmetrische Stromversorgung, mit der die Gate-Treiberschaltung für verschiedene Transistoroptionen optimiert werden kann, möglicherweise auch für neue Generationen, die noch gar nicht auf dem Markt sind.
Die Tendenz geht dahin, dass jede neue Generation von Leistungstransistoren mit niedrigeren Gate-Treiber-Spannungsniveaus vollständig verbessert oder erschöpft wird, aber die optimalen Gate-Treiber-Spannungsniveaus werden immer noch je nach Hersteller, Entwicklungs-Iteration und Transistortyp variieren. Da die isolierte Gate-Treiber-Versorgungsspannung (Vpos und Vneg)entweder durch einen Trenntransformator oder einen isolierten DC/DC-Wandlerbereitgestellt wird, sind für jede Auswahl von Leistungstransistoren andere Lösungen erforderlich, auch wenn der Gate-Treiber selbst für alle Transistortypen verwendbar ist. Das bedeutet, dass selbst die Verwendung eines Pin-kompatiblen Second-Source-Schalttransistors erhebliche Änderungen am Design der isolierten Stromversorgung erfordern kann.
Was wir brauchen, ist eine programmierbare, isolierte, asymmetrische Stromversorgung, mit der die Gate-Treiberschaltung für verschiedene Transistoroptionen optimiert werden kann, möglicherweise auch für neue Generationen, die noch gar nicht auf dem Markt sind.
RECOM hat ein solches Produkt auf den Markt gebracht: den RxxC2T25S. Es handelt sich um einen SMD-DC/DC-Wandler in einem SOIC-Gehäuse mit integriertem Trenntransformator (Abbildung 4). Die Ausgänge können unabhängig voneinander im Bereich von +2,5V bis +22,5V und von -2,5V bis -22,5V eingestellt werden, indem die Widerstandswerte in einer Rückkopplungs-Teilerschaltung geändert werden. Das bedeutet, dass eine Stromversorgungslösung +15/-9, +20/-5, +18/-4, +15/-3 oder jede andere Ausgangsspannungskombination liefern kann, solange der kombinierte Ausgang im Bereich von 18 bis 25V liegt.
Dies ermöglicht es dem Designer, einfach zwischen den Leistungstransistoren der ersten und zweiten Quelle zu wechseln, indem er die Werte der BoM-Widerstände ändert, nicht aber das Design der PCB. Es bedeutet auch, dass die Lösung zukunftssicher ist, wenn eine völlig neue Generation von Leistungstransistoren mit z.B. +14,5/-3,5V optimalen Gate-Treiberspannungen auf den Markt kommt. Und schließlich werden die Ausgangsspannungen unabhängig voneinander geregelt, was wichtig ist, wenn Sie das Gate auf Spannungen treiben, die sehr nahe an den abs. Maximalwerten liegen, um die höchstmögliche Schalteffizienz zu erzielen.
Wenn die Leistung in den Kilowattbereich ansteigt, wird die Umgebung des Gate-Treibers und der Gate-Treiber-Stromversorgung immer rauer. Trotz der geringen Schaltverluste moderner WBG-Leistungstransistortechnologien ist mit hohen Umgebungstemperaturen zu rechnen. Hartes Schalten von hohen Spannungen erzeugt sehr hohe dv/dt-Anstiegsgeschwindigkeiten, so dass eine gute CMTI (Common Mode Transient Immunity), eine niedrige Isolationskapazität und eine hohe Isolation für eine robuste Schaltzuverlässigkeit unerlässlich sind.
Der RxxC2T25S zeichnet sich durch einen Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +100°C mit 1,5W Last und bis zu +125°C mit 0,6W Last, einen beeindruckenden CMTI von ±150kV/µs, eine Isolationskapazität von nur 3,5pF und eine Isolation von 3kVAC/1Minute aus (ebenfalls ausgelegt für ±1200VDC wiederkehrende Spitzenspannung). Die Ausgänge sind außerdem vollständig gegen Kurzschluss, Überlast und Übertemperatur geschützt.
Eine Unterspannungs-Lockout-Funktion bedeutet, dass der DC-OK-Pin erst dann aktiv wird, wenn sich sowohl die Eingangsspannung als auch die Ausgangsspannung stabilisiert haben. Daher kann dieser Pin mit dem Enable-Pin des Gate-Treibers verbunden werden, um sicherzustellen, dass die Bedingungen vom ersten Schaltzyklus an stabil sind (Abbildung 5).
Dies ermöglicht es dem Designer, einfach zwischen den Leistungstransistoren der ersten und zweiten Quelle zu wechseln, indem er die Werte der BoM-Widerstände ändert, nicht aber das Design der PCB. Es bedeutet auch, dass die Lösung zukunftssicher ist, wenn eine völlig neue Generation von Leistungstransistoren mit z.B. +14,5/-3,5V optimalen Gate-Treiberspannungen auf den Markt kommt. Und schließlich werden die Ausgangsspannungen unabhängig voneinander geregelt, was wichtig ist, wenn Sie das Gate auf Spannungen treiben, die sehr nahe an den abs. Maximalwerten liegen, um die höchstmögliche Schalteffizienz zu erzielen.
Wenn die Leistung in den Kilowattbereich ansteigt, wird die Umgebung des Gate-Treibers und der Gate-Treiber-Stromversorgung immer rauer. Trotz der geringen Schaltverluste moderner WBG-Leistungstransistortechnologien ist mit hohen Umgebungstemperaturen zu rechnen. Hartes Schalten von hohen Spannungen erzeugt sehr hohe dv/dt-Anstiegsgeschwindigkeiten, so dass eine gute CMTI (Common Mode Transient Immunity), eine niedrige Isolationskapazität und eine hohe Isolation für eine robuste Schaltzuverlässigkeit unerlässlich sind.
Der RxxC2T25S zeichnet sich durch einen Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +100°C mit 1,5W Last und bis zu +125°C mit 0,6W Last, einen beeindruckenden CMTI von ±150kV/µs, eine Isolationskapazität von nur 3,5pF und eine Isolation von 3kVAC/1Minute aus (ebenfalls ausgelegt für ±1200VDC wiederkehrende Spitzenspannung). Die Ausgänge sind außerdem vollständig gegen Kurzschluss, Überlast und Übertemperatur geschützt.
Eine Unterspannungs-Lockout-Funktion bedeutet, dass der DC-OK-Pin erst dann aktiv wird, wenn sich sowohl die Eingangsspannung als auch die Ausgangsspannung stabilisiert haben. Daher kann dieser Pin mit dem Enable-Pin des Gate-Treibers verbunden werden, um sicherzustellen, dass die Bedingungen vom ersten Schaltzyklus an stabil sind (Abbildung 5).
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der RxxC2T25S eine Lösung ist, auf die Designer gewartet haben. Ein robustes SMD-Bauteil, das speziell für isolierte Gate-Treiber-Anwendungen entwickelt wurde, mit allen technischen Merkmalen, die man erwarten kann, und dem Vorteil, dass man die Ausgangsspannungen frei wählen kann, um die maximale Effizienz aus bestehenden Lösungen sowie aus zukünftigen Designs herauszuholen.
1Eine detaillierte Analyse der Notwendigkeit einer negativen Gate-Treiberspannung (auch für Low-Side-Schalter) finden Sie im Whitepaper "Entwicklung von robusten Transistorschaltungen mit IGBTs, SIC MOSFETS” auf der RECOM-Website.
1Eine detaillierte Analyse der Notwendigkeit einer negativen Gate-Treiberspannung (auch für Low-Side-Schalter) finden Sie im Whitepaper "Entwicklung von robusten Transistorschaltungen mit IGBTs, SIC MOSFETS” auf der RECOM-Website.
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