Abbildung 1: Die voraussichtliche Entwicklung des Leistungswandlermarkts bis 2021.

Bild: Analog Devices

Vorteile der neuen Leistungsschaltertechnik Moderne SiC/GaN-Leistungswandler

11.10.2018

Der Markt für Leistungswandler entwickelt sich rapide, er bewegt sich von einfachen Leistungs-/Kosten-Entwicklungen hin zu breiterer und nachhaltigerer Innovation. Neue Herausforderungen: Kleinere und effizientere Leistungswandler herstellen, die wiederum kleinere Servo-Antriebe ansteuern können, oder die in verteilte Energiespeicher integriert werden können.

Neue effiziente und schnelle Leistungswandler, die auf Wideband-Gap-Halbleitern (WBG) wie Siliziumkarbid- und Galliumnitrid-MOSFETs basieren, halten derzeit Einzug in unterschiedliche Märkte und Anwendungen. Insbesondere bei Solar-PV-Invertern, Energiespeichern und auch der Elektrifizierung von Fahrzeugen ist das der Fall. Dort kommen die Wandler unter anderem bei Ladesystemen und Invertern für Antriebsmotoren zum Einsatz. Um sämtliche Vorteile der neuen Leistungsschaltertechnik auszuschöpfen, muss ein vollständiges Ökosystem an ICs in das Wandlerdesign implementiert werden. Insbesondere beim wichtigsten Chip für den Leistungsschalter, dem Gate-Treiber, ist das der Fall.

Die Anforderungen für isolierte Gate-Treiber haben sich jedoch bei den WBG-Halbleiter gegenüber früheren Silizium-IGBT-Treibern verändert. Bei SiC- und GaN-MOSFETs sind hohe Gleichtaktschwankungsimmunität (CMTI) von größer 100 kV/μs, ein weiter Swing der Gate-Spannung, schnelle Anstiegs- und Abfallzeiten und außerdem eine sehr geringe Laufzeitverzögerungen nötig. Der isolierte Gate-Treiber ADuM4135 von Analog Devices besitzt die erforderlichen Eigenschaften. Er ist in ein Wide-Body-SOIC-Gehäuse mit 16 Anschlüssen integriert. Zusammen mit dem Mixed-Signal-Control-Prozessor ADSP-CM429F managt er die Regelschleifen der SiC- und GaN-basierten Leistungswandler mit guter Leistungsdichte.

Die dritte Generation SiC-MOSFETs

Neue technische Verbesserungen bei Leistungsschaltern stellen nun die dritte Generation von SiC-MOSFETs und die erste und zweite Generation von GaN-MOSFETs zur Verfügung. Nachdem sie für einige Zeit vor allem auf einige Nischenanwendungen beschränkt waren, werden WBG-Techniken mittlerweile rasch in verschiedenen Applikationen verwendet. Das Eindringen in diese Märkte hat zu einem deutlichen Preisverfall geführt. Die sinkenden Preise ermöglichen wiederum den Einsatz in zusätzlichen Anwendungsbereichen, in denen der Preis der entscheidende Faktor ist.

Die Anwendungen, die den Einsatz von SiC- und GaN-Leistungsschaltern treiben, sind Solar-PV-Inverter, Ladesysteme für Elektrofahrzeuge und Wandler für Energiespeicher. Hier wird der Mehrwert von schnellen, kleinen und effizienten Leistungsschaltern genutzt, um hohe Schaltfrequenzen, sowie Wirkungsgrade von über 99 Prozent auf den Markt zu etablieren.

Es sind Fortschritte und Innovationen in allen beteiligten Engineering-Prozessen nötig. Der Einsatz von Hochspannungssystemen (HV) ist eine Architekturwahl, wurde aber für lange Zeit von verschiedenen Halbleitertechniken behindert. Heute ist diese Situation mit der Einführung der WBG-Halbleiter beseitigt, die HV zu einer praktikablen und überlegenswerten Lösung gemacht haben. Die Standardspannung bei Solar-String-Invertern ist 1.500 VDC, während 1.000 VDC, und bald 2.000 VDC, zum Standard bei Energiespeicher-Wandlern (Batterie basiert) und Ladesystemen für Elektrofahrzeuge werden wird.

Tatsächlich ist die Hinwendung zu HV-Systemen, die mit WBG-Halbleitern kompatibel sind, aus drei Gründen interessant: Erstens, hohe Spannungen bedingen geringere Ströme, was bedeutet, dass das Kupfer in einem System insgesamt verringert wird und diese Reduzierung direkte Auswirkungen auf die Kostensenkung des Systems hat. Zweitens generieren Wide-Gap-Techniken weniger Ohmsche Verluste, was wiederum in einem höheren Wirkungsgrad resultiert, wodurch die Notwendigkeit für ein Kühlsystem reduziert wird. Drittens, HV-Systeme es auf der Subsystemebene den Ingenieuren ermöglichen, von Designs, die auf Basisplatten-Leistungsmodulen basieren, auf Designs auf Basis von diskreten Bausteinen oder leichteren Leistungsmodul basierten Entwicklungen überzugehen. Dies bedeutet das Nutzen von kompatiblen Leiterplatten und dünnen Drähten, anstatt von Stromschienen und dickeren Drähten.

Das gute dV/dt-Schalten, das den WBG-Halbleitern eigen ist, resultiert in sehr geringen Verlusten pro Schalter. Dies macht eine hohe Schaltfrequenz, 50 bis 500 kHz für SiC, oder mehr als 1 MHz für GaN, zu einer sehr realistischen Möglichkeit. Das hilft dabei, die Ausmaße der magnetischen Komponenten zu verringern und gleichzeitig die Leistungsdichte zu steigern.

Eine Verringerung der Werte, Ausmaße und dem Gewicht der Spule, zusammen mit verkleinerten Kondensatoren, kann den endgültigen Wandler auf nur mehr ein Fünftel der Größe und des Gewichts eines traditionellen Konverters bringen. Die Toleranz bei hohen Sperrschichttemperaturen hilft bei steigender Leistungsdichte, wobei gleichzeitig Probleme mit der Kühlung vermindert werden. Weitere Charakteristika von SiC/GaN-Schaltern, die dabei helfen, Verluste zu minimieren, sind das Fehlen jeglicher Erholung an den Dioden (geringere Verluste bei der Gleichrichtung) und der geringe Rds(on) (der kleinere Leistungsverluste erzeugt), zusätzlich zu ihrem HV-Betrieb.

Vorteile für das Engineering

Um die Vorteile auszuschöpfen, die SiC- und GaN-basierte Designs ermöglichen, sollte man sich mit den umfangreichen technischen Herausforderungen befassen, die mit ihnen verbunden sind. Diese Herausforderungen lassen sich in drei Hauptkategorien einteilen: den Schalter treiben, Auswahl der Stromversorgung mit der richtigen Komponentenkombination und Steuern der Regelschleifen des Leistungswandlers auf geeignete Weise.

Die isolierten iCoupler Gate-Treiber überwinden die Beschränkungen von Optokoppler- und Hochspannungsbasierten Gate-Treibern. Optokoppler sind langsam, leistungshungrig und schwierig mit anderen Funktionen zu integrieren und sie bauen mit der Zeit ab. Im Gegensatz dazu bieten die digitalen iCoupler Isolatoren eine Alternative zu Optokopplern, indem sie On-Chip-Trafos mit hoher Bandbreite und detaillierte CMOS-Schaltungen kombinieren, die Zuverlässigkeit, Ausmaße, Leistungsverbrauch, Geschwindigkeit, Timing-Genauigkeit und einfache Anwendbarkeit für die Entwickler optimieren.

Gate-Treiber mit iCoupler-Technik

Die iCoupler-Technik wurde vor einem Jahrzehnt entwickelt, um die Einschränkungen der Optokoppler aufzuheben. Die digitalen Isolatoren von ADI nutzen eine Dickfilm-Polyimid-Isolierung mit wenig mechanischem Stress, um die Tausende von Volt an Isolierung zu erreichen, die monolithisch mit Standard-Silizium-ICs integriert und in einkanaligen, mehrkanaligen und bidirektionalen Konfigurationen produziert werden können: 20 µm an Polyimid-Isolierung verkraftet mehr als 5 kVrms. Die beiden ICs, die das Gate-Treiber-Portfolio von ADI repräsentieren, sind der ADuM4135, der isolierte High-End-Gate-Treiber für SiC-MOSFETs und der ADuM4121, eine schnelle, kompakte Lösung für hochdichte SiC- und GaN-Designs. Durch nutzen der bewährten iCoupler-Technik, bietet der isolierte Gate-Treiber ADuM4135 eine ganze Reihe von wichtigen Vorteilen in Hochspannungsanwendungen mit hohen Schaltgeschwindigkeiten. Der ADuM4135 ist wegen seiner hervorragenden Laufzeitverzögerung von besser als 50 ns mit einem Abgleich von Kanal zu Kanal von unter 5 ns, einer Gleichtaktschwankungsimmunität (CMTI) von besser als mehr als 100 kV/µs sowie der Fähigkeit in seiner gesamten Lebenszeit Betriebsspannungen von bis zu 1.500 VDC in einem einzigen Gehäuse zu unterstützen, die geeignete Wahl zum Treiben von SiC- und GaN-MOS. Der ADuM4135, in einem Wide-Body-SOIC-Gehäuse mit 16 Anschlüssen, enthält eine Miller-Clamp, um mit einer einzigen Versorgungsspannung ein robustes Ausschalten von SiC- und GaN-MOS oder IGBT zu liefern, wenn die Gate-Spannung unter 2 V abfällt. Ein Betrieb mit unipolaren oder bipolaren Sekundärstromversorgungen ist möglich. Integriert im ADuM4135 ist eine Entsättigungs-Erkennungsschaltung, die einen Schutz vor hoher Spannung bei kurzgeschlossenem Schalterbetrieb bietet.

Betrieb trotz hohen Spannungen

Die Entsättigungserkennung enthält auch Rauschunterdrückungsfunktionen wie eine 300-ns-Maskierungszeit, nachdem ein Schaltereignis auf Maskenspannungsspitzen von einem erstmaligen Einschalten ausgelöst wurde. Eine interne 500-µA-Stromquelle ermöglicht eine geringe Bauteilanzahl und der interne Ausblendeschalter erlaubt das Hinzufügen einer externen Stromquelle, wenn eine höhere Rauschimmunität nötig ist. Die sekundäre UVLO ist auf 11 V eingestellt, wobei übliche IGBT-Schwellwerte mit in Betrachtung gezogen werden. Für kompaktere und einfachere Topologien, wie etwa GaN basierte Halbbrücken, ist der isolierte Gate-Treiber ADuM4121 eine geeignete Lösung. Ebenfalls auf der digitalen iCoupler Isolation basierend, besitzt er die branchenweit geringste Laufzeitverzögerung von 38 ns, was wiederum die höchsten Schaltfrequenzen und eine Gleichtaktschwankungsimmunität von 150 kV/µs ermöglicht. Der ADuM4121 hat in einem Wide-Body-SOIC-Gehäuse mit acht Anschlüssen eine Isolation von 5 kV rms.

Ein wichtiger Aspekt beim Treiben von Siliziumkarbid- und Galliumnitrid-Schaltern ist ihr Betrieb mit hohen Spannungen bei hohen Frequenzen. Unter solchen Bedingungen sollten keine induktiven parasitären Elemente toleriert werden. Die Entwicklungen müssen fein abgestimmt werden und besondere Sorgfalt sollte auf das Routing der Leiterplatten und definieren ihres Layouts gelegt werden.

Multitaskendes System

Die Steuereinheiten des Systems, generell eine Kombination von MCUs, DSPs oder FPGAs, müssen mehrfache schnelle Regelschleifen parallel laufen lassen können und auch in der Lage sein, Sicherheitsfunktionen zu managen. Sie müssen Redundanz und eine große Anzahl unabhängiger PWM-Signale, A/D-Wandler und I/Os besitzen. Der Baustein ADSP-CM419F von Analog Devices erlaubt es den Entwicklern mit nur einem einzigen Mixed-Signal-Dual-Core-Prozessor, Wandlersysteme für hohe Leistungspegel, hohe Dichte, mit gemischten Schaltern und unterschiedlichen Leistungspegeln auf mehreren Ebenen parallel zu managen.

Der ADSP-CM419F basiert auf einem ARM-Cortex-M4-Prozessorkern mit einer Fließkommaeinheit, die mit Betriebsfrequenzen von bis zu 240 MHz arbeitet und einem ARM-Cortex-M0-Prozessorkern, der mit Betriebsfrequenzen von bis zu 100 MHz arbeitet. Das ermöglicht die Integration einer zweifachen Sicherheitsredundanz in lediglich einem einzigen Chip. Der Hauptprozessor ARM Cortex M4 integriert 160 KByte SRAM mit ECC, 1-Mbyte-Flash-Speicher mit ECC, Beschleuniger und Peripherie. Diese ist besonders für die Steuerung von Leistungswandlern optimiert und besitzt 24 unabhängige PWM und ein Analogmodul, das aus zwei 16-Bit-SAR-A/D-Wandlern, einem 14-Bit-A/D-Wandler auf dem Cortex-M0 und einem 12-Bit-D/A-Wandler besteht.

Der ADSP-CM419F arbeitet mit einer einzigen Betriebsspannung, generiert unter Einsatz internen Spannungsregler und einem externen Längstransistor seine eigenen internen Versorgungsspannungspegel.

Bildergalerie

  • Abbildung 2: Eine iCoupler-Trafo-Wicklung auf einer Polyimid-Isolierlage.

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  • Abb. 4: Blockschaltung des ADuM4135.

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  • Abb. 5: Blockdiagramm des ADuM4121.

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  • Abb. 6: Evaluierungs-Board des ADuM4121.

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  • Abb. 7: Blockdiagramm des ADSP-CM419F.

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  • Abb. 8: Evaluierungs-Board des ADSP-CM419F.

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  • Abb. 9: Vereinfachtes Blockdiagramm eines isolierten Gate-Treiber-Boards.

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  • Abb. 10: Die isolierte Gate-Treiber-Baugruppe.

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