Hochisolierte DC/DC-Wandler erfüllen grüne Anforderungen
02.12.2022
Die grüne Energierevolution ist in vollem Gange, angetrieben durch die Herausforderungen des Klimawandels und das Streben nach nachhaltiger Entwicklung. Die hochisolierten DC/DC-Wandler von RECOM spielen eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung von Lösungen für grüne Energien.
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.
Abb. 1: Typisches Systemblockdiagramm eines transformatorlosen Solarstrom-Konvertersystems (Quelle: Texas Instruments)
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.
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.
Abb. 1: Typisches Systemblockdiagramm eines transformatorlosen Solarstrom-Konvertersystems (Quelle: Texas Instruments)
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.
Anwendungen
| Serie | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| 1 |
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RA3
Fokus
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| 2 |
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RP
Fokus
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| 3 |
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R-REF01-HB
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| 4 |
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RGZ
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| 5 |
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RH
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| 6 |
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RKZ
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| 7 |
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RKZ-xx2005
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| 8 |
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RP-xx06
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| 9 |
|
RV
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| 10 |
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RxxP06
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| 11 |
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RxxP21503
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| 12 |
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RxxP22005
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| 13 |
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RxxP2xx
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| 14 |
|
RxxPxx
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