Gate-Treiber für Elektroautos

Redakteur: Margit Kuther

Gate-Treiber kommen bei einer ganzen Reihe von Anwendungen in und um Elektroautos zum Einsatz. Welche das sind, erfahren Sie in dieser Übersicht.

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Ein Elektroauto: Würde nicht fahren ohne die zahlreichen Gate-Treiber an Bord.
Ein Elektroauto: Würde nicht fahren ohne die zahlreichen Gate-Treiber an Bord.
(Bild: Clipdealer)

Isolierte Gate-Treiber sind aufgrund der hohen Spannungen (>800 VDC) beim Schalten von Isolierschicht-Bipolartransistoren (IGBTs) die viel sicherere Wahl. Die dabei erforderliche hohe Leistung bzw. der hohe Wirkungsgrad verlangen nach Gate-Treibern, die die notwendige Gate-Ladung ohne Degradation bereitstellen. Ein weiterer Faktor sind die Kosten, die bei allen Automobilanwendungen einen ganz hohen Stellenwert haben.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden hat Power Integrations die Gate-Treiber-Famile Scale iDrivers speziell für den Einsatz in Elektroautos entwickelt, die sämtliche vorgenannte Anforderungen erfüllt und obendrauf zusätzliche Funktionen mitbringt.

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Um welche Funktionen handelt es sich?

Allen voran ist die Isolationsbarriere zu erwähnen. Power Integrations hat mit FluxLink eine sehr robuste und kostengünstige Methode zur Implementierung der Isolation und der Kommunikation zwischen der Primär- und der Sekundärseite entwickelt. Diese besteht aus einem primär- und einem sekundärseitigen Schaltkreis sowie einem kernlosen Transformator. Das physikalische Prinzip ist zwar uralt, die Implementierung fiel jedoch sehr modern und raffiniert aus. Die Isolationsbarriere sitzt nämlich zwischen den Wicklungen des Transformators und den Schaltkreisen.

Diese Barriere erweist sich als sehr robust, denn es wären Spannungen weit über 10 kV und Ströme weit über 100 A notwendig, um sie zu zerstören. Sollten allerdings solche Bedingungen in einem Auto auftreten, wäre das Überleben der Isolationsbarriere ohnehin nicht mehr von Bedeutung. Daher ist diese Isolationsbarriere bestens für den Einsatz in Autos geeignet.

Wie sieht es mit der Robustheit der Signalübertragung aus?

Erstens kann der kernlose Transformator nicht sättigen. Daher haben magnetische Gleichfelder auf die Signalübertragung keinen Einfluss. Theoretisch könnten magnetische Wechselfelder die Signalübertragung beeinträchtigen, wenn sie genau die gleiche Frequenz hätten wie die Übertragung selbst. Da die Signalübertragung jedoch im hohen Megahertzbereich (200 MHz) liegt, können solche Felder nicht sehr stark sein. In einem Auto liegen alle starken Magnetfelder unter 300 kHz. Selbst Gleichspannungswandler werden dabei weit unter der Übertragungsfrequenz betrieben. Nehmen wir nun an, dass etwas in der Nähe des Gate-Treibers ein Magnetfeld mit der exakt gleichen Frequenz wie die Signalübertragung erzeugt. Was geschieht dann? Um solche Interferenzen zu vermeiden, haben die Entwickler von FluxLink ein digitales Ein/Aus-Protokoll mit geringer Datenrate samt Fehlerkorrektur implementiert. Dank allen diesen Sicherheitsmaßnahmen war es bis dato nicht möglich, die Datenübertragung bis zur Funktionsuntüchtigkeit zu stören.

Nachfolgend die technische Spezifikation der Isolationsbarriere:

• Betriebsspannung 1000 VRMS,

• Systemspannung 1414 VPeak,

• Isolationsspannung 8000 V, 100% unter Produktionsbedingungen getestet,

• Stoßspannung 12.800 V Eignungstest,

• Teilentladung 2652 V, 100% unter Produktionsbedingungen getestet.

Weitere Details über Scale-iDrivers

IGBTs müssen mit einer positiven Gatespannung ein- und einer negativen Gatespannung ausgeschaltet werden. Daher erfordern IGBT-Gatetreiber sowohl eine positive als auch eine negative Spannungsversorgung. Oft genug stammt diese Versorgung aus Niederspannungsschienen auf der Primärseite, sie muss jedoch die Ausgangsstufe auf der Sekundärseite antreiben. Ein isolierter und regulierter Rücklauf, der positive und negative Spannung auf der Sekundärseite erzeugt, fällt offenbar wesentlich teurer aus als ein einfacher, nichtregulierter Eintaktwandler mit nur einer Ausgangsspannung. Die Scale-iDrivers brauchen lediglich eine Einzelschienenversorgung, da sie die positiven und negativen Spannungen für den Gate-Treiber intern erzeugen. Dies führt natürlich zu einer erheblichen Reduzierung der BOM-Kosten für die Stromversorgung.

Darüber hinaus verfügen diese Gate-Treiber über verschiedene eingebaute Schutzfunktionen:

• Advanced Soft Shut Down (ASSD),

• Kurzschlussschutz,

• Unterspannungssperrschaltung (UVLO) auf der Primär- und Sekundärseite.

Kurzschlussschutz ... wie?

Scale-iDrivers verfügen über ausgeklügelte Erfassungsschaltungen, mit denen sie die Kollektor-Emitter-Spannung (VCE) bei eingeschaltetem IGBTs messen. Dieser Wert wird für ein kontrolliertes Ausschalten verwendet. Er kontrolliert auch die Stromsteilheit, um sicherzustellen, dass parasitäre Induktivitäten die VCE-Spannung nicht über die erlaubten Grenzen treiben, und verhindern überdies parasitäres Einschalten durch die Miller-Kapazität. Gleichzeitig hält die leistungsstarke Ausgangsstufe das Gate des IGBT weit unter der Einschaltschwelle.

Was ist Advanced Soft Shut Down?

ASSD wird bei einem Kurzschluss aktiviert. Selbstverständlich wird dabei das IGBT so schnell wie möglich ausgeschaltet. Der schnelle Strom-Decay könnte jedoch zu einem potenziellen Sperren des parasitären Thyristors im IGBT führen, was wiederum ein katastrophales Durchschießen verursachen könnte. Bei den in Elektroautos vorkommenden Energien würde dies zu einer ganzen Menge Kohle und Rauch führen. Zur Vermeidung solcher mittelalterlichen Unannehmlichkeiten stellt die Logik der Scale-iDrivers sicher, dass der VCE unter VCE(sat) bleibt, und verhindert somit ein Sperren des Thyristors. ASSD schafft ein sicheres Abschalten in weniger als 10 µsec.

Wie stellt sich die Stabilität der Ausgangsstufe dar?

Scale-iDrivers verfügen über eine Ausgangsstufe mit geringer Degradation über den Temperaturbereich.

Die Ausgangsstufe weist einen Gate-High(GH)- und einen Gate-Low-Drive-Pin auf. Somit kann man unterschiedliche Widerstände für das Ein- und Abschalten haben. Dadurch hat man auch einen Einfluss auf die Anstiegs- und Abfallzeiten des IGBT.

Störungslogik

Ein LOW-Signal am SO-Pin deutet auf eine Störung wie etwa Kurzschluss oder Unterspannung hin.

Eingabelogik

Der IN-Pin ist für 5-V-CMOS-Pegel ausgelegt. Das Eingangssignal entspricht mit einer Verzögerungszeit von etwa 260 nsec jenem des Gate-Treibers.

Scale-iDrivers sind mit AEC-Q100- sowie mit UL- und VDE-Zertifizierung erhältlich.

Weitere Informationen und Musterbestellungen

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