Patentierte A-SRB-Technik mit SiC/GaN-ähnlicher Performance

Seite: 2/2

Firma zum Thema

Synchronous Reverse Blocking (SRB) ist eine Technik, die den Sperrstrom mittels eines synchron gesteuerten Transistors blockiert und den resultierenden Sperrstrom durch eine SiC-Diode kanalisiert, wodurch sich der Einfluss von Qrr erheblich verringert.

Toshiba hat Advanced-SRB (A-SRB) patentiert, eine neuartige Technik, bei der sich die Leistungsverluste beim Wiederaufladen der Ausgangskapazität (COSS) durch Vorladen mit erhöhter UDS auf etwa 40 V mit einer Ladungspumpe im Treiber-IC aufheben. Dies reduziert COSS um den Faktor 100, wodurch sich die Verluste erheblich verringern (siehe dazu Toshiba Corporation Energy Systems & Solutions Company, 2016: „Semiconductor Switch and Power Conversion Apparatus“, Europäische Patentschrift EP 2 600 527 B1. 03.02.2016).

Bildergalerie
Bildergalerie mit 5 Bildern

In der Praxis ist bei A-SRB der Hauptschalttransistor ein High-Voltage Superjunction-DTMOS-IV-MOSFET mit einer maximalen Sperrspannung um die 650 V. Der in Reihe geschaltete Sperrtransistor ist ein Low-Voltage-Superjunction-MOSFET vom Typ UMOS VIII mit einer Sperrspannung von 60 V. Die Freilaufdiode ist eine SiC-Schottky-Diode (Bild 3).

Der Treiber-IC T1HZ1F, der alle notwendigen Steuersignale aus einem einfachen PWM-Eingangssignal erzeugt, beinhaltet die Wertigkeit und das Patent der Lösung, da er das Prinzip der Ansteuerung der gesamten Lösung integriert. Diese Lösung kann in zahlreichen Anwendungen Verwendung finden, beispielsweise in den Bereichen USV, Solar-Wechselrichter, DC/DC-Wandler und Antriebssteuerungen. Da A-SRB die Schaltverluste adressiert, können höhere Schaltfrequenzen zum Einsatz kommen und somit die Größe und das Gewicht von Bauelementen wie dem Ausgangsfilter, ohne Einbußen beim Wirkungsgrad, reduzieren.

IGBTs können hier nicht konkurrieren, da sie bezüglich der Schaltfrequenz üblicherweise auf etwa 20 kHz begrenzt sind. In der links gezeigten Grafik (Bild 4) ist deutlich zu sehen, dass die Vorteile der A-SRB-Lösung gegenüber konventionellen Topologien erheblich sind – und diese mit steigender Frequenz zunehmen.

So würde bei einer Betriebsfrequenz von 50 kHz und einer Last von 1 kW ein Wechselrichter mit A-SRB-Topologie einen um 4% höheren Wirkungsgrad im Vergleich zu einer Standard-Topologie- oder IBGT-Lösung erzielen. Damit verringern sich die Anforderungen an das thermische Management erheblich, was wiederum die Größe, das Gewicht, die Komplexität und die laufenden Kosten des Systems verringert. Die Einsparungen sind in einem Rechenzentrum insgesamt noch deutlich höher, da insgesamt eine geringere Wärmeerzeugung die Kosten für die Kühlung bzw. Klimatisierung senkt.

Modulare und diskrete A-SRB-Lösungen

Um den Vorteil von A-SRB vollständig zu verstehen, sollte man die Erhöhung des Wirkungsgrades und die Verbesserung der Spannungskonditionierung gleichzeitig betrachten. Eine höhere Schaltfrequenz trägt dazu bei, eine hochqualitative Sinuswelle zu erzeugen – jedoch sind die Schaltverluste bei 50 kHz auf einem nicht akzeptablen Niveau. Hier sorgt A-SRB für einen gewaltigen Unterschied.

Bei 50 kHz ermöglicht die Technik eine deutlich bessere Spannungskonditionierung bei gleichzeitig höherem Wirkungsgrad. Ohne A-SRB finden Entwickler schwerlich Lösungen, die beide Verbesserungen gleichzeitig ermöglichen können.

Abhängig vom erforderlichen Leistungsniveau stehen verschiedene Lösungen zur Verfügung, um A-SRB umzusetzen. Das T1JM4-Modul ist eine komplette A-SRB-Lösung für Leistungen bis zu 300 W, die Gate-Treiber, Schalttransistoren und SiC-Schottky-Dioden enthält.

Sind höhere Leistungen erforderlich, kommt Toshibas Gate-Treiber T1HZ1F mit diskreten DTMOS-, LVMOS- und SiC-SBDs für eine skalierbare Lösung zum Einsatz. Es gibt von Toshiba die erforderlichen Bauteile als komplette Bausätze, um die Bestell- und Lagerverwaltung zu vereinfachen.

Fazit: Für den Entwickler ist es eine große Herausforderung, den Betrieb der Systeme, die wertvolle Daten speichern, mittels einer konstanten und hochqualitativen Spannungsversorgung, bei gleichzeitiger Reduktion der Anschaffungs- und Betriebskosten, sicherzustellen.

Obwohl Halbleiter mit Wide-Bandgap-Technologie vielversprechend klingen, sind sie derzeit nur selten eine kommerziell nutzbare Lösung.

Die von Toshiba patentierte A-SRB-Technik mit zugehörigen Treibern und Modulen bieten eine Zwischenlösung, die es Entwicklern ermöglicht, schon heute Leistungswerte zu erzielen, die denen von Lösungen mit Widebandgap-Technologien ähnlich sind.

* Armin Derpmanns ist General Manager Solution Marketing bei Toshiba Electronics Europe, Düsseldorf.

(ID:45080560)