Wie man SiC-MOSFETs und IGBTs mit Präzision, Wirkungsgrad und Schutz ansteuert

Mit der Entwicklung von Stromversorgungssystemen, die den Anforderungen von Elektrofahrzeugen, erneuerbaren Energien und industrieller Automatisierung gerecht werden, wird es für Entwickler immer schwieriger, Effizienz, Performance und Sicherheit in Einklang zu bringen. Die Integration von Hochspannungskomponenten wie Isolierschicht-Bipolartransistoren (IGBTs) und Siliziumkarbid-(SiC)-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) ist ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu diesem Gleichgewicht, doch benötigen diese Bauelemente Gate-Treiber, die eine präzise Steuerung, schnelle Schaltvorgänge und robuste Schutzmechanismen ermöglichen.

Dieser Artikel befasst sich mit den Herausforderungen, die mit der Ansteuerung moderner Energieversorgungssysteme verbunden sind, wobei der Schwerpunkt auf der Halbbrückentopologie liegt. Er stellt dann Gatetreiber und ein Evaluierungsboard von Infineon Technologies vor, die helfen können, diese Herausforderungen zu meistern.

Herausforderungen bei der Entwicklung moderner Halbbrückentopologien

Energieversorgungssysteme stehen vor wachsenden Herausforderungen, da die Industrie auf höhere Schaltfrequenzen, erhöhte Spannung und den Einsatz von Halbleitern mit großer Bandlücke (WBG) drängt. Diese Fortschritte ermöglichen zwar eine höhere Effizienz, stellen aber auch hohe Anforderungen an die Gatetreiber.

Die Halbbrückentopologie, die in vielen Anwendungen zum Standard geworden ist, soll die steigenden Anforderungen verdeutlichen. Halbbrückenschaltungen sind für Gleichstrom-Gleichstrom-Ladegeräte für Elektrofahrzeuge und Motorantriebssysteme unerlässlich. Sie ermöglichen einen bidirektionalen Leistungsfluss, der sowohl beim normalen Motorbetrieb (Leistungsfluss in Vorwärtsrichtung) als auch beim regenerativen Bremsen (Leistungsfluss in Rückwärtsrichtung) entscheidend ist. Der Übergang zu 800V-Architekturen in neueren EV-Plattformen erhöht den Bedarf an zuverlässigen Isolations- und Schutzmechanismen unter Beibehaltung der Schaltgenauigkeit.

Für erneuerbare Energiesysteme sind Halbbrückendesigns die Grundlage für die dreiphasigen Wechselrichter, die für die Netzintegration erforderlich sind. Die höheren Schaltfrequenzen, die bei SiC-MOSFETs und IGBTs verwendet werden, erhöhen zwar den Wirkungsgrad, verschlimmern aber die Gleichtaktspannungsprobleme sowohl bei den High-Side- als auch bei den Low-Side-Schaltern, was zu erheblichen elektromagnetischen Störungen (EMI) führt, die die Systemleistung beeinträchtigen und möglicherweise gegen gesetzliche Vorschriften verstoßen können.

Industrielle Motorantriebe sind mit zusätzlichen Herausforderungen konfrontiert, unter anderem mit der Aufrechterhaltung einer ausgeglichenen Zwischenkreisspannung bei geteilten Kondensatoranordnungen. Der Trend zu kompakteren Designs mit höherer Leistungsdichte führt zu Schwierigkeiten beim Wärmemanagement und zu Problemen beim elektrischen Rauschen.

Für all diese Anwendungen benötigen die Entwickler Gatetreiberlösungen, die eine präzise Steuerung, schnelle Schaltfunktionen und umfassende Schutzfunktionen bieten und gleichzeitig eine robuste Isolierung zwischen Hoch- und Niederspannungsschaltungen ermöglichen.

Ein Zweikanal-Gatetreiber für IGBTs und MOSFETs

Die Serie EiceDRIVER 2ED314xMC12L von Infineon Technologies (Abbildung 1) begegnet diesen Herausforderungen mit einem zweikanaligen Design, das für die Steuerung von IGBTs und MOSFETs entwickelt wurde. Alle Mitglieder der Serie bieten einen unabhängigen Kanalbetrieb mit Totzeitsteuerung (DTC), so dass der 2ED314xMC12L-Baustein als Zweikanal-Lowside-Treiber, Zweikanal-Highside-Treiber oder als Halbbrücken-Gatetreiber betrieben werden kann.

Abbildung 1: Die Serie 2ED314xMC12L bietet einen unabhängigen Kanalbetrieb mit DTC, so dass die Bausteine als Zweikanal-Low-Side-Treiber, Zweikanal-High-Side-Treiber oder Halbbrücken-Gatetreiber betrieben werden können. (Bildquelle: Infineon Technologies)

In einer Halbbrückenkonfiguration ermöglicht die Zweikanalarchitektur, dass ein einziger Gatetreiber-IC sowohl High-Side- als auch Low-Side-Schalter effizient steuern kann. Diese Integration vereinfacht das Leiterplattenlayout, reduziert die Anzahl der Komponenten und unterstützt angepasste Timing-Charakteristiken zwischen den Kanälen, was für die Aufrechterhaltung eines korrekten DTC und die Verhinderung von Durchschlagbedingungen entscheidend ist.

Ein wesentlicher Vorteil der Serie 2ED314xMC12L ist die galvanische Trennung durch die kernlose Übertragertechnologie. Dieser Ansatz bietet eine schnelle Signalübertragung mit hoher Immunität gegen EMI, was in elektrisch verrauschten Umgebungen wie EVs unerlässlich ist.

Die Isolationsfähigkeit ist nach UL 1577 zertifiziert und bietet 6,84 kV effektiv (kV_eff) für 1 Sekunde und 5,7 kV_eff für 1 Minute. Dieses robuste Isolationsniveau ist entscheidend für den Schutz vor Hochspannungstransienten in Anwendungen wie erneuerbaren Energiesystemen, bei denen netzgekoppelte Wechselrichter Spannungsstößen im Versorgungsbereich standhalten müssen.

Hochpräzises Schalten mit hoher Leistung

Die 2ED314xMC12L-Serie schneidet bei mehreren relevanten Benchmarks gut ab, angefangen bei ihrem Spitzenausgangsstrom von 6,5 A. Diese hohe Leistung ist besonders vorteilhaft für SiC-MOSFETs, die für effizientes Schalten starke Gate-Steuersignale benötigen.

Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die Laufzeitverzögerung von 39 ns, die eine präzise Zeitsteuerung ermöglicht. Dies ist ein wichtiger Aspekt für Anwendungen wie die industrielle Automatisierung, bei denen die Steuerung der Motordrehzahl und des Drehmoments von einer hochpräzisen Schaltung abhängt.

Eine geringe Laufzeitverzögerung von maximal 8 ns bedeutet, dass bei der Verwendung mehrerer Treiber-ICs, z. B. in einem dreiphasigen Motorantrieb, die Zeitunterschiede zwischen den Bauteilen minimal sind. Eine noch engere Kanal-zu-Kanal-Verzögerung von maximal 5 ns verhindert das Durchschießen zwischen den Schaltern für jede Halbbrücke.

Eine CMTI-Stufe (Common-Mode Transient Immunity) von mehr als 200 kV pro Mikrosekunde (kV/µs) hilft, Fehlauslösungen aufgrund von Spannungstransienten zu verhindern. Bei Anwendungen im Bereich der erneuerbaren Energien beispielsweise unterstützt eine hohe Transientenfestigkeit den stabilen Betrieb bei Netzschwankungen und plötzlichen Schwankungen im Stromfluss.

Zuverlässigkeitsmerkmale für einen stabilen Betrieb

Die Serie 2ED314xMC12L verfügt über mehrere Schutzfunktionen, die einen zuverlässigen Betrieb in anspruchsvollen Leistungsanwendungen gewährleisten. Jede Funktion befasst sich mit spezifischen Zuverlässigkeitsfragen, die in Hochspannungsschaltumgebungen auftreten.

Erforderliche Schutzmaßnahmen sind aktive Abschaltung und Kurzschlussklemmung. Diese Mechanismen schützen vor Durchgangsstrom in Halbbrückenkonfigurationen, bei denen die beiden Leistungsschalter zwischen der Zwischenkreisspannung gestapelt sind. Wenn beide Schalter gleichzeitig eingeschaltet werden, kann der daraus resultierende Kurzschluss Bauteile beschädigen oder das System abschalten.

Ein weiteres bemerkenswertes Merkmal ist der UVLO-Schutz (Undervoltage Lockout), der ein Hysterese-„Totband“ schafft, in dem der Zustand trotz kleiner Spannungsschwankungen stabil bleibt und ein Schwanken an der Schwelle verhindert. In Solaranlagen beispielsweise sorgt UVLO für einen stabilen Betrieb bei teilweiser Bewölkung und vermeidet so unnötige Unterbrechungen. Einige Varianten bieten UVLO zwischen 8,5 V und 9,3 V, während andere einen Schutz zwischen 12,5 V und 13,6 V bieten.

Es sind auch Optionen mit einem Freigabepin erhältlich, der eine zusätzliche Kontrollebene für Notabschaltsituationen bietet. Bei diesen Varianten verfügt jeder digitale Eingangspin über einen Pull-Down-Widerstand, der sicherstellt, dass ein ausgelöteter oder abgezogener Pin in einen sicheren Zustand übergeht und der Kanal deaktiviert wird. Diese Eigenschaft ist besonders bei Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit von Bedeutung, bei denen die Systemintegrität auch bei unerwarteten Fehlern erhalten bleiben muss.

Für Anwendungen, bei denen ein geringerer Stromverbrauch und eine vereinfachte Steuerung im Vordergrund stehen, sind Varianten mit Deaktivierungspins erhältlich. Bei diesen Modellen kann der Gatetreiber standardmäßig aktiv bleiben, was den Stromverbrauch im Standby-Modus reduziert und das Systemdesign vereinfacht.

Beispiele für die verfügbaren Optionen sind der 2ED3140MC12L, der UVLO mit einer Hysterese zwischen 8,5 V und 9,3 V sowie einen Deaktivierungspin bietet. Im Gegensatz dazu bietet der 2ED3146MC12L UVLO zwischen 12,5 V und 13,6 V und einen Aktivierungspin.

Effiziente und zuverlässige Verpackung

Die Serie wird in einem PG-DSO-14-71-Gehäuse angeboten (Abbildung 2). Dieses oberflächenmontierbare Gehäuse misst 10,3 x 7,5 Millimeter (mm) und ist damit besonders kompakt für einen Zweikanaltreiber mit hoher Leistung. Bei EV-Anwendungen spart dieses Paket wertvollen Platz im Antriebsstrang.

Abbildung 2: Die Serie 2ED314xMC12L wird in einem kompakten PG-DSO-14-71-Gehäuse angeboten. (Bildquelle: Infineon Technologies)

Trotz ihrer geringen Größe bieten alle Varianten ausreichende Abstände für einen sicheren Betrieb: 8 mm Eingang-zu-Ausgang und 3,3 mm Kanal-zu-Kanal-Kriech- und Luftstrecken. Diese Abmessungen erfüllen die Anforderungen an die Isolierung, während gleichzeitig der kompakte Formfaktor beibehalten wird, der in platzbeschränkten Designs benötigt wird.

Schneller Start mit einem Evaluierungsboard

Zur Vereinfachung von Tests und Entwicklung bietet Infineon Technologies das Evaluierungsboard EVAL-2ED3146MC12L an (Abbildung 3). Diese Halbbrückenplatine wurde entwickelt, um die Funktionalität und die Möglichkeiten des isolierten Gatetreiber-ICs 2ED3146MC12L zu demonstrieren.

Abbildung 3: Das Evaluierungsboard EVAL-2ED3146MC12L bietet einen Halbbrückenaufbau zur Evaluierung des 2ED3146MC12L. (Bildquelle: Infineon Technologies)

Neben dem Gatetreiber enthält das Evaluierungsboard zwei CoolSiC-Trench-MOSFETs IMZA120R020M1HXKSA1 von Infineon Technologies sowie einen Übertrager-Treiber-IC 2EP130R von Infineon Technologies für die Onboard-Stromversorgung. Diese Komponenten sind für Evaluierungszwecke geeignet und stellen eine praktische Wahl für reale Designs dar.

Die SiC-MOSFETs weisen eine Drain-zu-Source-Spannung von 1200 V auf, womit der 2ED314xMC12L in der Lage ist, Leistungsbauelemente mit einer Spannung von 600 V bis 2300 V zu treiben. Die von diesen MOSFETs geforderte Gate-Treiberspannung von 18 V wird von der absoluten maximalen Ausgangsspannung des 2ED314xMC12L von 35 V problemlos abgedeckt. Der niedrige Durchlasswiderstand der MOSFETs von 19 mΩ bei +25°C minimiert die Leitungsverluste.

Mit einer maximalen Verlustleistung von 375 W bei +25°C und einem Betriebstemperaturbereich von -55°C bis +175°C entsprechen diese MOSFETs den Anforderungen leistungsstarker Anwendungen der Leistungselektronik. Die kurze Laufzeitverzögerung des Gatetreibers von 39 ns und der hohe CMTI von >200 kV/μs ermöglichen effizientes Schalten bei hohen Frequenzen und einen zuverlässigen Betrieb über den gesamten Temperaturbereich der MOSFETs.

Der Übertrager-Treiber 2EP130R ergänzt den Gatetreiber mit seinem weiten Schaltfrequenzbereich von 50 bis 695 Kilohertz (kHz) und arbeitet mit der kurzen Laufzeitverzögerung des 2ED3146MC12L zusammen. Die hochpräzise Einstellung des Tastverhältnisses (10 % bis 50 %) des Übertrager-Treibers lässt sich gut mit den präzisen Timing-Eigenschaften des Gatetreibers kombinieren - eine entscheidende Kombination für die Aufrechterhaltung einer optimalen Totzeit in Halbbrücken-Konfigurationen.

Fazit

Die EiceDRIVER-Serie 2ED314xMC12L von Infineon Technologies bietet ein ausgewogenes Verhältnis von Effizienz, Leistung und Sicherheitsmerkmalen, die für Hochspannungsanwendungen in Elektrofahrzeugen, erneuerbaren Energien und der industriellen Automatisierung erforderlich sind. Sein kompaktes PG-DSO-14-71-Gehäuse unterstützt platzbeschränkte Designs, während das Evaluierungsboard EVAL-2ED3146MC12L-SiC schnelle Tests ermöglicht.