Ein bidirektionaler DC/DC-Wandler in DAB-Topologie

| Autor / Redakteur: Andreas Brenner, Tobias Herrmann * / Gerd Kucera

Schalten der MOSFET mit Zero-Voltage-Switching

Betrachtet man das Schaltverhalten der Bauelemente bei Betrieb des DAB mit einer hohen Leistung, ist schnell ersichtlich, dass hier alle MOSFETs mit Zero-Voltage-Switching (ZVS) geschaltet werden können. Beim ZVS wird die in den induktiven Komponenten gespeicherte Energie dazu verwendet, die Schaltknoten der MOSFETs nahezu verlustlos umzuladen. Um dies zu erreichen, muss bei einem positiven Drain-Source-Strom ausgeschalten werden. Der durch die Induktivität getriebene Strom lädt anschließend den Schaltknoten der MOSFETs um und kommutiert in die Body-Diode des zweiten MOSFETs der Halbbrücke. Wird dieser nun eingeschaltet, beträgt seine Drain-Source-Spannung nahezu 0 V. Dadurch entstehen keine nennenswerten Einschaltverluste, was somit die Gesamtverlustbilanz verringert.

Betreibt man den DAB jedoch bei ganz geringer Leistung unter Verwendung der Standard-Phaseshift-Ansteuerung, kann nicht mehr mit ZVS geschalten werden (Bild 5). Dann kommutiert der Strom beim Ausschalten des MOSFETs in dessen eigene Body- Diode und die Spannung des einschaltenden MOSFETs entspricht der Eingangs- bzw. Ausgangsspannung. Dadurch muss die komplette in den Ausgangskapazitäten (Coss) der MOSFETs gespeicherte Energie in Wärme umgesetzt werden. Hinzu kommt, dass der zum Schaltzeitpunkt in der zu sperrenden Body-Diode fließende Strom innerhalb der Schaltzeit in den einschaltenden Transistor kommutieren muss. Während diesem sogenannten Reverse-Recovery der Body-Diode fließt ein Querstrom über die Halbbrücke, der gänzlich in Wärme umgesetzt wird. Zur Vermeidung extremer Verluste und dynamischer Überspannungen müssen die Body-Dioden der MOSFETs daher eine sehr geringe Sperrverzugszeit trr aufweisen.

Die Body-Dioden von Trench-MOSFETs auf Siliziumbasis weisen im Hochvoltbereich (>200 V) jedoch zu große Sperrverzugszeiten auf, sodass Si-MOSFETs nur im Niedervoltbereich verwendet werden können. Im Hochvoltbereich muss dagegen auf Schalter aus sogenannten Wide-Band-Gap-Materialien wie Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) zurückgegriffen werden. Die Bandlücke zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband ist hier um etwa den Faktor 3 größer als bei Silizium. Aufgrund dieser Beschaffenheit ist die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger hier wesentlich kürzer. Somit erfolgt das Ausräumen der Ladungszone wesentlich schneller als bei einer Body-Diode aus Silizium.

Zusätzlich zum wesentlich besseren Schaltverhalten der Body-Diode haben Wide-Bandgap-Halbleiter noch weitere Vorteile. Durch die größere Bandlücke können bei identischen Sperrspannungen und Durchlassströmen die Strukturen verkleinert und dadurch die parasitären Kapazitäten (Cgs, Cgd, Coss) verringert werden. Dies senkt zusätzlich die Schaltverluste. Außerdem liegt die maximale Betriebstemperatur höher, was die Entwärmung der Bauelemente vereinfacht. Je nach Spannungsbereich kann sowohl SiC als auch GaN die bessere Wahl darstellen.

Der Herstellungsprozess bei Siliziumkarbid-Halbleitern ist ähnlich dem von Halbleitern aus Silizium. Siliziumkarbid kann in einer Vielzahl von polymorphen kristallinen Strukturen (Polytypen) durch ein homo-epitaxisches Verfahren gefertigt und somit als eigen-ständiges Substrat verwendet werden. Epitaxie bedeutet in der Halbleiterphysik das Aufbringen einer kristallinen Struktur auf ein sogenanntes Substrat. Besteht das Substrat aus demselben Material wie der aufzubringende Stoff, spricht man von Homo-Epitaxie, andernfalls von Hetero-Epitaxie. Bei Galliumnitrid gibt es dagegen noch kein effizientes Verfahren, um qualitativ hochwertige Einkristalle herzustellen. Es wird bis jetzt meist hetero-epitaktisch auf Fremdsubstrate wie Siliziumkarbid oder Silizium aufgetragen. Die durch die unterschiedlichen Kristallstrukturen von diesen Trägersubstraten und dem aufgebrachten GaN resultierende Gitterfehlanpassung führt hier jedoch zu unerwünschten Störstellen, was die Qualität der Bauelemente negativ beeinflusst.

Aus diesem Grund werden GaN-MOSFETs meist lateral aufgebaut, wogegen SiC-MOSFETs wie auch die Siliziumvariante vertikal aufgebaut wird. Der vertikale Aufbau stellt bei hohen Sperrspannungen einen Vorteil dar, da hier das elektrische Feld nicht an der Oberfläche entlanggeführt werden muss. Die lateralen GaN-MOSFETs sind daher in ihrer maximalen Sperrspannung auf <1000 V limitiert. Allerdings können GaN-MOSFETs auf bestehenden Fertigungsstraßen für Silizum-Halbleiter gefertigt werden, was eine kostengünstigere Produktion ermöglicht.

Für Sperrspannungen bis 900 V sind demnach GaN-MOSFETs aufgrund ihres Preisvorteils und noch etwas besseren Schalteigenschaften als gute Alternative zu SiC-Halbleitern zu sehen. Für Sperrspannungen >900 V hat dagegen SiC die besseren Eigenschaften.

Der Einsatz von Wide-Band-Gap Halbleitern hat technisch gesehen zwar viele Vorteile, jedoch sind die verfügbaren MOSFETs noch wesentlich teurer als die Silizium-Variante. Daher liegt die Überlegung nahe, ob durch Ausnutzung der Freiheitsgrade bei der Ansteuerung des Konverters nicht dauerhaft ZVS erzielt und somit auf den Einsatz von Wide-Band-Gap Halbleitern verzichtet werden kann. Um dauerhaft ZVS zu ermöglichen muss, wie erwähnt, der Drain-Source-Strom beim Ausschalten des MOSFETs immer einen positiven Wert haben. Dieser muss außerdem einen bestimmten Minimalwert aufweisen, damit die in der Drossel gespeicherte Energie noch zum Umladen der Ausgangskapazitäten der MOSFETs ausreicht.

Um dieses Kriterium zu erfüllen ist es notwendig neben der Änderung des Phasenwinkels φ zwischen der primären und sekundären Brücke, auch die Phase γ zwischen den beiden primärseitigen oder sekundärseitigen Halbbrücken zu ändern. In Bild 5 ist der Betrieb des DAB bei einem ungünstigen Eingangs-/Ausgangsspannungsverhältnis im unteren Teillastbereich mit Phaseshift-Ansteuerung dargestellt. Vergleicht man hier die Schaltströme Isw1 und Isw2 mit den Schaltströmen in Bild 2, dann fällt auf, dass Isw2 nun ein negatives Vorzeichen hat. Dadurch wird an diesem Punkt nicht mehr mit ZVS geschaltet. In der in Bild 6 gezeigten erweiterten Ansteuerung wird nun auch die Phase γ innerhalb der sekundären Vollbrücke angepasst.

Durch eine optimierte Steuerung der Phasenwinkel φ und γ ist es Finepower gelungen, auch bei einem weiten Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich ZVS über den gesamten Arbeitsbereich zu erhalten und somit eine kosteneffiziente Schaltung auf Basis bestehender Si-MOSFETs aufbauen zu können. Da die Halbleiterschalter, neben den Induktivitäten, den größten Kostenfaktor im DAB darstellen, ist die Umstellung von Voll- auf Halbbrücke eine weitere Möglichkeit zur Kostenersparnis.

* Andreas Brenner ist Entwicklungsingenieur bei Finepower, München. Tobias Herrmann ist Field Application Engineer bei Finepower, München.

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