Gate-Treiber-IC, MOSFETS & Co Höhere Effizienz, Dichte und Zuverlässigkeit

Redakteur: Gerd Kucera

Aktuell geht der Trend in der Leistungselektronik von einem Baustein-getriebenen zu einem Applikation-getriebenen Szenario. Hierbei stehen Energieeffizienz, Leistungsdichte und Zuverlässigkeit mehr denn je im Fokus.

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Die OptiMOS FD-Familie bietet eine Reduzierung der Sperrladung von 40% im Vergleich zu entsprechenden Standard-OptiMOS-Versionen.
Die OptiMOS FD-Familie bietet eine Reduzierung der Sperrladung von 40% im Vergleich zu entsprechenden Standard-OptiMOS-Versionen.
(Bild: Infineon)

Aufgrund der Fortschritte bei Leistungs-MOSFETs in den letzten Jahren können für viele Applikationen die Vorteile höherer Schaltfrequenzen und höherer Leistungsdichte genutzt werden. Parallel dazu konnten auch die Durchbruchsspannungen deutlich erhöht werden.

Größere Robustheit, weniger Spannungsüberschwingen

Was bei all den Vorteilen oft übersehen wird, ist die Robustheit der Body Diode bei harter Kommutierung – ein wichtiger Aspekt für die Systemzuverlässigkeit. Die neuen OptiMOS-Komponenten FD 200V und FD 250V sind für harte Kommutierungen der leitenden Body-Diode optimiert und ermöglichen eine höhere Robustheit, geringeres Spannungsüberschwingen sowie reduzierte Sperrerholverluste.

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Das resultiert in höchster Zuverlässigkeit des Gesamtsystems, insbesondere bei hart schaltenden Anwendungen in Telekommunikationssystemen, industriellen Stromversorgungen, Class D-Audio-Verstärkern, Motorsteuerungen für Systeme mit 48 bis 110 V und DC/AC-Invertern.

Die Reduzierung der Sperrladung (Qrr) von 40% im Vergleich zu entsprechenden Standard-OptiMOS-Versionen bedeutet einen signifikanten Schritt in Richtung erhöhter Systemzuverlässigkeit durch Verringerung des Spannungsüberschwingens, während die Anforderungen an eine entsprechende Schutz-Schaltung (Snubber) minimiert werden.

Hochintegrierte Treiber-ICs mit Echtzeit-Gate-Steuerung

Die Hochvolt-ICs der EiceDRIVER-Produktfamilie nutzen die CLT (Coreless Transformer)- und LS-SOI (Level Shift)-Technologie. In Verbindung mit MOSFETs, IGBTs und SiC-Leistungsbausteinen sind zuverlässige und effiziente Ansteuerschaltungen realisierbar. Infineon zeigt auf der PCIM 2014 einen neuen, einkanaligen Treiber-IC aus der EiceDRIVER-Safe-Familie, der für industrielle Antriebe mit 1200-V-Leistungsmodulen und Stromklassen bis zu 900 A optimiert ist. Die neuartige Slew Rate Control-(SRC)-Treibertechnik bietet als entscheidendes Feature eine einstellbare Echtzeit-Gate-Stromsteuerung für ein optimiertes dV/dt-Verhalten in elektrischen Antrieben. Weitere integrierte Funktionalitäten umfassen eine Überstromerkennung und Entsättigungsüberwachung für den Einsatz in 3-Level-Invertern.

Die Gate-Stromregelung teilt den Einschaltprozess in drei Bereiche: In der ersten Phase (Pre-Boost-Phase) wird das Gate vom Ausgangspunkt bis zu einem definierten Wert im Bereich von VGE = 0 geladen. Dieser Abschnitt dauert genau 135 ns. Der Pre-Boost-Strom kann für diesen Bereich für jeden einzelnen IGBT-Typ eingestellt werden. Die zweite Phase regelt das Einschalten selbst. Dabei kann der Nutzer den konstanten Gate-Treiberstrom Igg aus elf verschiedenen Werten wählen.

Der EiceDRIVER Safe SRC kann also die dVCE/dt-Transiente des IGBTs steuern, indem er während der zweiten Phase eine entsprechend gewählte Stromamplitude einstellt. Dieses Verfahren ist genauer als eine rein resistive Gate-Steuerung, die nur eine konstante Spannung an den Gate-Widerstand anlegt. Die Turn-on-Verzögerung td(on) ist beim EiceDRIVER™ Safe SRC daher sehr konstant und bestimmbar. Dies hat wiederum einen positiven Effekt für das Design der Totzeit, die damit kleiner ausgelegt werden kann.

Diese Einstellbarkeit des geregelten Gate-Stromes ermöglicht Entwicklern einen Paradigmenwechsel in Bezug auf die Schaltgeschwindigkeit der Diode. Der geregelte Gate-Strom führt zu einer viel sanfteren Übergangsspannung vom Transistor auf die Freilauf-Diode.

Die Einstellbarkeit von dVCE/dt hat einen großen Einfluss auf die Lebenszeit der Wicklungen und Lager der Motoren. Auch die Wartungsintervalle für die Motoren können dadurch verlängert werden. Mit der neuen Technologie ist es nun möglich, innerhalb der kritischen Werte für dVCE/dt zu bleiben, in dem die Kommutierungsgeschwindigkeit entsprechend den augenblicklichen Betriebsbedingungen des IGBT eingestellt wird.

Matrix-Umrichter mit höchster Leistungsdichte

Die Kombination von JFETs auf Basis von Siliciumcarbid (SiC) mit neuester Treibertechnologie und innovativem thermischen Management in einem Matrix-Umrichter eröffnet eine neue Dimension an Leistungsdichte in der Umrichtertechnik.

Höhere Leistungsdichte geht unweigerlich mit lokalen Temperaturerhöhungen, speziell im Leistungshalbleiter und seiner direkten Umgebung, einher. Für solche Anforderungen eignen sich insbesondere SiC-Leistungshalbleiter, denn diese lassen sich bei höherer Sperrschichttemperatur betreiben als normale Siliziumbausteine. Allerdings muss auch die Umgebung der Leistungsschalter gegenüber dieser höheren Temperatur unempfindlich sein.

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Da unter anderem die DC-Kondensatoren in Umrichtern hier eine Begrenzung darstellen, wurde die Topologie des Matrix-Umrichters gewählt. Dieser Direktumrichter besteht aus einer Matrix von bidirektionalen Schaltern, die mit neuen SiC-JFETs von Infineon aufgebaut wurden. Für die erforderliche Treiberbaugruppe kam der Zweikanal-Treiber 2ED020I12FA aus der EiceDRIVER-Familie zur Anwendung.

Um den größtmöglichen Gewinn an Leistungsdichte für dieses Projekt zu erzielen, war forcierte Luftkühlung unumgänglich. Außerdem wurde ein spezieller, Platz sparender Kupferkühlkörper entworfen und hergestellt.

Meist sind es nicht die Leistungshalbleiter, die das Volumen des Umrichters bestimmen, sondern vielmehr die Bauelemente in Zwischenkreisanordnungen sowie die Kühlkörper. Um die Regularien der Netzbetreiber erfüllen zu können und die Auflagen bezüglich EMV einzuhalten, sind meist großvolumige LC-Eingangsfilter vorzufinden. Um diese zu minimieren, muss man die Schaltfrequenz erhöhen.

Der Demonstrator (Bild 4 in der Bilder-Galerie) arbeitet mit einer Schaltfrequenz von 50 kHz, sodass sich die Bauelemente der Eingangsfilter auf LC-Glieder mit 1 µF und 25 µH reduzieren. Die Kondensatoren sind als Hochtemperatur-Keramikkondensatoren in SMD-Bauweise ausgeführt. Der Matrix-Umrichter generiert sowohl eingangs- als auch ausgangsseitig sinusförmige Stromverläufe und gestattet die Einstellung des Leistungsfaktors, was eine zusätzliche PFC-Stufe überflüssig macht. Ziel dieses Projektes war es, für den gesamten Inverter inklusive Kühlsystem eine volumetrische Leistungsdichte von 20 kVA/dm3 zu erreichen. Mit 20 kVA und einem Volumen von weniger als 900 cm3 wurde dieses Ziel nicht nur erreicht, sondern sogar übertroffen.

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