Hochisolierte DC/DC-Wandler erfüllen grüne Anforderungen

Solarenergie ist die sauberste und reichhaltigste erneuerbare Energiequelle weltweit, die eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung nachhaltiger Energiesysteme spielt. Die weltweite Photovoltaik (PV)-Erzeugungskapazität hat in den letzten zehn Jahren ein exponentielles Wachstum erfahren. Im Jahr 2021 kamen etwa 183GW hinzu, womit die geschätzten weltweiten PV-Installationen auf über 1000GW (ein Terawatt) steigen. Das US-amerikanische Energieministerium plant, bis 2050 eine Speicherkapazität von 5TWh im Netz zu installieren, um allein den Energiebedarf der USA zu decken.

Solarenergie-Umwandlungssysteme verwandeln Sonnenenergie in elektrische Energie, die entweder in Versorgungsnetze eingespeist oder von netzunabhängigen Stromnetzen genutzt wird. Die gewonnene elektrische Energie wird von Stromversorgungen verarbeitet.

Ein PV-Solarmodul erzeugt DC-Strom mit hoher Spannung, der von einem dreiphasigen Hochspannungs-Umwandler in AC-Strom umgewandelt wird. Abbildung 1 zeigt das Blockdiagramm eines typischen transformatorlosen Solarstromumwandlungssystems mit IGBTs in der Inverterstufe.

Der Konverter verwendet sowohl Hochspannungs- als auch Niederspannungsschaltungen. Die DC-Schienenspannung kann 1.000V oder mehr betragen, und das Invertermodul liegt oft einige hundert Volt über der Erde, so dass eine Isolierung sowohl aus Funktions- als auch aus Sicherheitsgründen erforderlich ist.

Optokoppler sorgen für die Isolierung der Steuersignale, aber auch die Stromversorgung des Gate-Treibers muss isoliert werden. Diese isolierte Versorgung besteht aus einem DC/DC-Wandler, der typischerweise +15/-9V für IGBT-Bauteile, +20/-5V für SiC-MOSFETs (+15/-3V für Bauteile der 2. Generation) oder +6V und +9V für GaN-HEMTs liefert. Die einfachste (funktionale) Isolierung eines DC/DC-Wandlers kann 1 kVDC für eine Sekunde standhalten. Für High-Side-Gate-Treiber ist dies jedoch oft nicht ausreichend.

Eine typische DC/DC-Isolationsspannung würde mindestens das Doppelte der Arbeitsspannung betragen, aber die hohe Umgebungstemperatur und die schnellen Schaltflanken, die von diesen Hochleistungstransistoren erzeugt werden, belasten die Isolationsbarriere zusätzlich. Daher sind hochisolierte DC/DC-Wandler erforderlich, um die Gate-Treiber zu versorgen.

Isolierte DC/DC-Wandler von RECOM bieten eine einfache Stromversorgungslösung für ein isoliertes Gate-Treiberdesign, unabhängig davon, ob IGBT-, SiC-MOSFET- oder GaN-Leistungsbauelemente verwendet werden.

RECOM bietet eine Reihe von isolierten DC/DC-Wandlermodulen, die eine effiziente Stromversorgungslösung für IGBT-, SiC MOSFET- oder GaN HEMT-Leistungsbauelemente darstellen. Zu den Merkmalen dieser Wandler gehören asymmetrische Ausgangsspannungen, eine hohe Isolationsspannung und eine geringe Isolationskapazität.

Was sind die optimalen RECOM DC/DC-Wandlerfamilien für die gängigsten Leistungsschaltertechnologien?

IGBT-Leistungsbauteile: Die DC/DC-Wandler RH, RV, RP, RGZ, RKZ, RxxPxx, and RxxP2xx von RECOM sind speziell für IGBT-Treiberschaltungen konzipiert. Ihre asymmetrischen Ausgänge von +15V und -9V machen sie ideal für die Versorgung von IGBT-Treibern mit nur einem DC/DC-Wandler. RECOM bietet sowohl SIP- als auch DIP-Gehäuse in einer Vielzahl von Pinbelegungen an, um verschiedene IGBT-Anwendungen zu ermöglichen.

SiC MOSFETs: Die Serien RxxP22005D und RKZ-xx2005D verfügen über asymmetrische Ausgänge von +20V und -5V, um den SiC-MOSFET effizient und effektiv zu schalten. Die RxxP21503D Serie bietet asymmetrische Ausgangsspannungen von +15V und -3V, die für das effiziente Schalten von SiC-MOSFETs der zweiten Generation erforderlich sind.

GaN HEMTs: GaN-Transistortreiber mit hoher Anstiegsrate erreichen eine optimale Leistung, indem sie bei +6V von RECOMs DC/DC-Wandlern der Serien RP-xx06S und RxxP06S schalten, die sich durch eine hohe Isolationsspannung und eine geringe Isolationskapazität auszeichnen. Für GaN-Anwendungen, bei denen höheres Rauschen und Interferenzen zu berücksichtigen sind, bietet RECOM auch Wandler mit +9V Ausgangsspannung an, die über eine Zener-Diode auf +6V und -3V aufgeteilt werden können, um beim Ausschalten eine negative Gate-Spannung zu erzeugen, die sicherstellt, dass die Gate-Spannung unterhalb der Einschaltschwelle bleibt.

Die RA3-Serie ist für Gate-Treiber optimiert: Die neuen ungeregelten 3W DC/DC-Wandler der RA3-Familie von RECOM sind speziell für die Versorgung von Transistor-Gate-Treibern konzipiert. Die Module sind mit Eingangsspannungen von 5, 12 oder 24VDC mit einfachen oder doppelten asymmetrischen Ausgängen erhältlich und decken die neuesten Si-, SiC- und GaN-Transistoren auf dem Markt ab. Das kompakte SMD-Design sorgt dafür, dass der Platzbedarf auf der Platine - insbesondere auf mehrlagigen Leiterplatten - minimal ist. Die Module bieten eine robuste 5,2kVDC/1min. Isolierung und eine Isolationskapazität von weniger als 10pF. Mit typischen Wirkungsgraden von 78% bis 82% erfüllt der Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +85°C bei Volllast die strengen Umweltanforderungen für Solar Inverter sowie für Induktionsheizungen, Telekommunikation, EV-Batterieladegeräte und Motorantriebe.

R-REF01_HB Evaluierungsplatine: Das R-REF01-HB Half-Bridge Gate-Drive Power Supply Reference Design kann verwendet werden, um die reale Leistung verschiedener High-Power-Switching-Technologien zu vergleichen. Das Design besteht aus einer Halbbrücke, die für Spannungen bis zu 1kVDC geeignet ist, und einer vollständig isolierten Treiberstufe mit isolierten Stromversorgungen für die Low-Side- und High-Side-Schalttransistoren. Der R-REF01-HB enthält zwei R12P22005D, R12P21503D, R12P21509D und R12P06S DC/DC-Wandler und kann Gate-Treiberspannungen erzeugen, die für IGBTs, SiC- und GaN-Bauelemente geeignet sind.

Gate-Treiber-Ökosystem von RECOM:
RECOM bietet eine Reihe von Ressourcen zur Unterstützung des Gate-Treiber-Portfolios. Für weitere Informationen besuchen Sie RECOMs Gate-Treiber. Es sind auch ein entsprechendes Whitepaper, "Designing Robust Transistor Circuits with IGBTs and SIC MOSFETs", das Sie hier herunterladen können, sowie eine Sammlung von Anwendungshinweisen verfügbar.