Neuer isolierter DC/DC-Wandler bietet programmierbare Ausgänge für SiC-Gate-Treiber-Anwendungen

05.04.2024
Eine Arbeiterin überwacht einen Roboterarm, der Metallkomponenten in einer industriellen Umgebung schweißt.
Es besteht kein Zweifel, dass die Wide Bandgap (WBG)-Technologie zunehmend an Bedeutung gewinnt. Transistoren aus Siliziumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) werden immer häufiger in Industrie-, Verbraucher- und weiteren Leistungsanwendungen eingesetzt.

Inhaltsverzeichnis

Da SiC und GaN noch nicht so ausgereift sind wie Siliziumtechnologien, entwickeln sich die Standards kontinuierlich weiter, während Hersteller die Leistung mit jeder neuen Generation verbessern. So sind beispielsweise SiC-Bauelemente der ersten, zweiten und dritten Generation von verschiedenen Herstellern verfügbar, wobei jede Generation eine spezifische Spannungskombination zum Ein- und Ausschalten erfordert.

Dies stellt sowohl für Gate-Treiber als auch für isolierte DC/DC-Wandler, die zur Stromversorgung der Gate-Treiber eingesetzt werden, eine Herausforderung dar. Diese DC/DC-Wandler verwenden in der Regel einen internen Transformator zur galvanischen Trennung. Der Transformator ist mit einem festen Übersetzungsverhältnis ausgelegt, um die für den jeweiligen Gate-Treiber erforderliche Vorspannung bereitzustellen.

Folglich ist ein DC/DC-Wandler erforderlich, um ein SiC-Bauelement mit Ein- und Ausschaltspannungen von +15V und -8V zu versorgen, während ein anderer Wandler benötigt wird, um ein weiteres SiC-Bauelement mit Spannungen von +15V und -3V zu versorgen. Sind beide Kombinationen als Standardprodukte verfügbar, stellt dies kein Problem dar. Ist jedoch ein neues Design eines isolierten DC/DC-Wandlers erforderlich, kann sich dies auf den Zeitplan auswirken und eine erneute Sicherheitszertifizierung notwendig machen. Aufgrund geringerer Produktionsmengen können zudem die Stückkosten steigen.

Der R24C2T25 isolierte DC/DC-Wandler vereinfacht die Auswahl und Bewertung von SiC-Gate-Treibern

R24C2T25 Serie von RECOM mit aufgeführten USPs
Der isolierte 2W-DC/DC-Wandler R24C2T25 von RECOM vereinfacht das Design von WBG-Gate-Ansteuerungs-Vorspannungsversorgungen (Quelle: RECOM)
Ein neues Produkt von RECOM ermöglicht es Kunden, verschiedene Typen von SiC-Leistungstransistoren zu evaluieren und einzusetzen, ohne teure und zeitaufwändige Designänderungen vornehmen zu müssen. Der isolierte DC/DC-Wandler R24C2T25 verfügt über asymmetrisch geregelte Ausgänge, die für IGBT-, Si-, SiC- und GaN-Kaskoden-Gate-Ansteuerungen geeignet sind. Die Ausgänge sind über externe Widerstandsnetzwerke programmierbar.

Ein Ausgang kann zwischen +2,5V und +22,5VDC eingestellt werden, während der andere zwischen -2,5V und -22,5VDC einstellbar ist, mit einer Gesamtspannung von 18 bis 25VDC, zum Beispiel +15V/-3V, zur effizienten Ansteuerung von SiC-Gates.

Kunden können nicht nur zwischen verschiedenen SiC-Bauelementen wählen, sondern profitieren durch die Programmierbarkeit auch von zusätzlicher Flexibilität in der Entwicklungsphase. So kann beispielsweise die Schaltspannung für ein ausgewähltes SiC-Bauelement variiert und auf Basis empirischer Tests die optimale Betriebsspannung bestimmt werden. Die Spannungen werden innerhalb von ±1,5% geregelt, wodurch das Risiko von Überspannung und Schäden reduziert wird. Die verfügbare Gesamtleistung beträgt 2W bis zu einer Umgebungstemperatur von 82°C und 2,5W bis 75°C. Durch Derating steht zudem nutzbare Leistung bis zur maximalen Gehäusetemperatur von 125°C zur Verfügung.

Die Isolationsspannung des R24C2T25 beträgt 3kVAC/1min bei einer extrem niedrigen Kopplungskapazität von 3,5pF und einer Gleichtakt-Transientenfestigkeit von ±150kV/µs. Dadurch eignen sich die Bauteile ideal zur Versorgung von High-Side-Gate-Ansteuerungen mit hohen dV/dt- und dI/dt-Schaltflanken.

Der R24C2T25 verfügt über Softstart, eine Eingangs-Unter- und -Überspannungssperre, eine thermische Abschaltung sowie einen Überlastschutz am Ausgang. Zusätzlich sorgt die Ausgangs-Unter- und -Überspannungssperre dafür, dass Leistungsbauelemente nicht durch unzulässige Gate-Spannungen belastet werden. Ein Power-Good-Signal wird zusammen mit einer Ein/Aus-Steuerung bereitgestellt, um das Bauelement mit weniger als 700µA Stromaufnahme in den Standby-Modus zu versetzen.

Neben der Programmierbarkeit bietet der R24C2T25 gegenüber seinen Vorgängern einen weiteren Fortschritt: die Verwendung von Surface-Mount-Technologie (SMT) in Form eines kompakten 7,5 x 12,83mm großen 36-Pin-SSO-Packages. Ein Surface-Mount-Package ist bei Entwicklern sehr beliebt, da es zahlreiche Vorteile gegenüber vergleichbaren THT-Bauteilen bietet:

  • Flächeneffizienz: SMT-DC/DC-Wandler sind in der Regel kompakter und ermöglichen ein platzsparendes Design. Dies ist besonders wichtig für Anwendungen mit begrenztem Platz auf der PCB, wie beispielsweise in portablen Geräten oder miniaturisierter Elektronik.
  • Hohe Leistungsdichte: Surface-Mount-Package tragen zu einer höheren Leistungsdichte auf der PCB bei und ermöglichen leistungsfähigere DC/DC-Wandler auf begrenztem Raum.
  • Verbessertes Wärmeverhalten: Der direkte Kontakt mit der PCB verbessert die Wärmeleitfähigkeit und sorgt für eine effizientere Wärmeableitung.
  • Verbessertes Hochfrequenzverhalten: Die SMT-Technologie reduziert Leitungslängen und parasitäre Effekte und verbessert dadurch das Hochfrequenzverhalten des Wandlers. Dies ist insbesondere für Anwendungen mit hohen Schaltgeschwindigkeiten vorteilhaft.
  • Automatisierte Fertigung: Die Surface-Mount-Technologie unterstützt automatisierte Montageprozesse und ermöglicht eine effizientere und kostengünstigere Produktion von DC/DC-Wandlern.
  • Geringeres Gewicht: SMT-Packages sind in der Regel leichter als vergleichbare THT-Bauteile, was besonders in Anwendungen mit strengen Gewichtsvorgaben, etwa in der Luft- und Raumfahrt oder der Automobiltechnik, von Vorteil ist.
  • Reduzierte elektromagnetische Störungen (EMI): SMT-Bauteile mit kurzen Leitungswegen und kompaktem Layout tragen dazu bei, elektromagnetische Störungen zu verringern und die elektromagnetische Verträglichkeit des Systems insgesamt zu verbessern.
  • Kostengünstige Produktion: Die automatisierte Fertigung und der kompakte Formfaktor ermöglichen eine kosteneffiziente Produktion, da sowohl Herstellungszeit als auch Materialeinsatz reduziert werden.
  • Höhere Bauteildichte: SMT-Packages ermöglichen eine hohe Komponentendichte auf der Leiterplatte und damit die Integration zusätzlicher Funktionen auf gleichem Raum.

Anwendungen von isolierten DC/DC-Wandlern

Der R24C2T25 eignet sich ideal für eine Vielzahl von Anwendungen:

Fazit

Die Bereitstellung präziser Gate-Treiberspannungen ist insbesondere für die neuesten Generationen von SiC-Bauelementen von entscheidender Bedeutung. Die programmierbaren Ausgänge des isolierten DC/DC-Wandlers R24C2T25 ermöglichen es, verschiedene Bauelemente zu evaluieren und die optimalen Spannungspegel für eine bestmögliche Kombination aus Systemeffizienz und Sicherheit einzustellen. Das Surface-Mount-Package bietet zudem Vorteile wie einen verbesserten Wirkungsgrad, ein optimiertes EMI-Verhalten und eine kompaktere Bauweise.
Anwendungen
  Serie
1 RECOM | R24C2T25 Series | DC/DC, SMD, 2.5W, Single/dual Output
Fokus
  • 2W isolated DC/DC converter
  • Programmable asymmetrical output voltages
  • Ideal for IGBT/Si/SiC/GaN gate drive bias voltages
  • High 3kVAC/1min isolation