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

Autor / Redakteur: Armin Derpmanns * / Gerd Kucera

Auch für die Zukunft hat Silizium genug Entwicklungspotenzial. Geschickte Schaltungstopologie erlaubt Designs mit weiter reduzierten Schaltverlusten. Die A-SRB-Technik von Toshiba ist dazu ein Beispiel.

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Bild 1: Heute findet man drei wesentliche USV-Technologien am Markt.
Bild 1: Heute findet man drei wesentliche USV-Technologien am Markt.
(Bild: Toshiba Electronics Europe)

Heute gibt es weltweit mehr Daten als jemals zuvor, und eines ist sicher: Die Datenmenge, die wir speichern, wird noch weiter zunehmen. Angesichts der Bedeutung dieser Daten für fast alle Aspekte unseres täglichen Lebens garantieren hochsichere Rechenzentren, dass diese Daten niemals verloren gehen und uns jederzeit zur Verfügung stehen, sobald wir sie benötigen.

Aufgrund der hohen Erwartung an die Datenverfügbarkeit werden Rechenzentren mit hoher Redundanz ausgestattet. Dieser Ansatz ist notwendig, führt jedoch zu höheren Kosten in einem Umfeld, in dem Massenspeicher zu gängiger Ware werden und die Preise sinken. Um dieses hohe Service-Niveau beizubehalten ist eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) erforderlich, die nicht nur für störungsfreien und korrekt aufbereiteten Strom sorgt, sondern auch die Betriebszeit bei Stromausfällen aufrechterhält.

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Da sich die Stromausfälle häufen, werden USVs zu unverzichtbaren Hilfsmitteln beim Aufrechterhalten der Datenverfügbarkeit. Es überrascht daher nicht, dass das Marktforschungsunternehmen MarketsandMarkets prognostiziert, dass der USV-Markt bis zum Jahr 2022 ein Volumen von 13,7 Mrd. US-$ erreicht und einige Märkte, wie der asiatisch-pazifische Raum, weiterhin um rund 7,2% pro Jahr wachsen werden.

Es können drei Haupttypen unterbrechungsfreier Stromversorgungen unterschieden werden: Offline, Line Interactive und Online Double Conversion. Bei allen diesen Systemen gibt es zwar technische und leistungsbezogene Unterschiede, sie müssen jedoch alle effizient sein, dies würde bedeuten eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC) so nahe wie möglich an Faktor Eins heranzubringen und die bereitgestellte Spannung in erforderlicher Qualität bereitzustellen – und das stets zu geringsten Kosten.

Eine weitere Herausforderung für Entwickler ist der Platzbedarf der zu entwickelnden Lösung. Dieser ist in allen Rechenzentren knapp und die Betreiber versuchen, diesen so gut wie möglich mit gewinnbringendem Massenspeicher zu füllen. Dies führt zu höherer Popularität von modularen Rack-basierten USV-Systemen. Da die Gesamtleistung jedes Moduls viel geringer ist als die des gesamten USV-Systems, bietet der modulare Rack-Aufbau für Entwickler mehr Flexibilität und Skalierbarkeit.

Eine Verkleinerung eines USV-Systems bei gleichbleibender (oder sogar höherer) Leistungsabgabe hat erhebliche Auswirkungen auf die zu erreichende Leistungsdichte. Diese Herausforderung wird immer anspruchsvoller, da kleinere Designs weniger Platz für das Wärmemanagement wie Kühlkörper bieten. Häufig ist eine aktive Kühlung mit Lüftern erforderlich, die aber den Gesamtwirkungsgrad beeinträchtigen, da sie Strom verbrauchen.

Auch wenn ein hoher Wirkungsgrad wohl das wichtigste Ziel ist, um die Betriebskosten in Grenzen zu halten, beeinflusst die Blindleistungskompensation die Kosten ebenfalls in einem nicht unerheblichen Ausmaß. Zudem kann eine schlecht ausgelegte USV unerwünschte Spannungsoberwellen in das Stromnetz einspeisen und sich negativ auf den Betrieb wichtiger Datenverarbeitungs- und Massenspeichersysteme auswirken.

Die USV-Leistungsfähigkeit durch A-SRB erhöhen

Ein erheblicher Leistungssprung ist zu erwarten, sobald Wide-Bandgap-Lösungen wie GaN- und SiC-Halbleiterbauelemente mit konkurrenzfähiger Ausbeute, Zuverlässigkeit und Preisen zur Verfügung stehen. Bis dahin arbeiten Entwickler weiterhin an schrittweisen Leistungsverbesserungen mit bestehenden siliziumbasierten MOSFETs.

Toshiba hat eine Technik patentieren lassen, die viel Aufmerksamkeit auf sich zieht, da sie mit vorhandenen siliziumbasierten Superjunction-MOSFETs Leistungswerte erzielt, die denen von Wide-Bandgap-Lösungen sehr nahe kommen.

Am Beispiel einer Halbbrücken-Topologie, die häufig in USV-Systemen benutzt wird, kann man demonstrieren, wie erhebliche Schaltverluste durch Erhöhung der Schaltfrequenz zustande kommen. Deren zwei wesentliche Ursachen sind: Erstens verursacht die in der Freilaufdiode gespeicherte Sperrverzögerungsladung (Qrr) beim Übergang in den leitenden Zustand eine Stromspitze im unteren Transistor. Zweitens tritt eine Ladestromspitze während der Umkehrung der Ausgangskapazität (COSS) des oberen Schalttransistors auf.

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).

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.

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