Stromversorgung & Leistungselektronik Mehr Leistung anfachen

IGBTs waren lange Zeit die Schlüsselkomponenten der Leistungselektronik. Aufgrund ihrer Eigenschaft hohe Leistungen beinahe stromlos zu schalten, finden sie nach wie vor in zahlreichen Schaltungen Verwendung. Konkurrenz bekommen sie zunehmend von SiC-MOSFETs, die sich durch sehr niedrige Schaltverluste, eine höhere Junction-Temperatur und eine bessere Leistungsdichte auszeichnen. Außerdem verfügen sie auch noch über eine höhere Schaltgeschwindigkeit und Schaltfrequenz. Durch die höheren Schaltfrequenzen können zusätzlich benötigte Bauteile, wie Spulen oder Kondensatoren, verkleinert und somit das Volumen des Gesamtsystems reduziert werden.

Beide Technologien haben ihre Berechtigung und machen sich gegenseitig nicht obsolet. Auch wenn SiC-MOSFETs klare Vorteile gegenüber IGBTs besitzen, ist für sie jedoch eine wesentliche komplexere Ansteuerung nötig. Außerdem kann es durch die höheren Schaltfrequenzen zu elektromagnetischen Störungen kommen.

Ansteuerung der IGBTs

Zur Ansteuerung der IGBTs werden spezielle Treiber benötigt. Diese sind Teil des Leistungskreises und floaten mit den entsprechenden Spannungspotentialen. Daher ist eine galvanische Trennung zwingend erforderlich. Beim Steuersignal erfolgt die Potentialtrennung über Optokoppler, bei der Versorgung übernehmen diese Aufgabe üblicherweise zwei hochisolierte DC/DC-Wandler.

IGBTs sind eine Mischung aus MOSFET und bipolarem Transistor. Sie lassen sich nahezu stromlos steuern und haben im durchgeschalteten Zustand auf der Kollektor/Emitter-Strecke einen sehr niedrigen Spannungsabfall. Aus diesem Grund sind sie ideal dafür geeignet hohe Spannungen und Ströme weitgehend leistungslos zu schalten. Beim Einschalten muss dafür die Gate-Kapazität so schnell wie möglich geladen werden. Dabei fließt für kurze Zeit ein beachtlicher Strom. Der Gate-Widerstand R_G sorgt für die größtmögliche Schaltzeit bei gerade noch tolerierbaren di/dt-Werten.

Anders verhält sich die Situation beim Ausschalten. Hier muss die Spannung der Gate-Kapazität rasch abgebaut werden. Das geschieht durch die Steuerspannung V_G. Bei der Verwendung einer symmetrischen Versorgung – zum zuverlässigen Einschalten eines IGBTs benötigt man 15 V – sind das -15 V. Durch das schnelle Ausräumen des Gates kommt es allerdings zu hohen Spannungsspitzen, was alle Komponenten massiv beansprucht. Daher wird üblicherweise zugunsten der Lebensdauer die Steuerspannung beim Ausschalten reduziert. Als zweckmäßig haben sich -9 V erwiesen, da bei dieser Spannung das Gate, bei vertretbaren dv/dt-Werten, noch zuverlässig ausgeräumt wird. Entwickler stehen vor der Wahl: Entweder sie verwenden die platzsparende Variante mit einem Wandler und einer symmetrischen Versorgung von ±15 V, oder sie nutzen die Versorgung durch zwei separate Wandler mit 15 beziehungsweise -9 V. Das ist allerdings mit höheren Kosten verbunden.

Erhältlich sind dafür sogenannte IGBT-Wandler, die perfekt den Bedürfnissen der IGBT-Treiber entsprechen. Ihre Besonderheit liegt in den dualen, asymmetrischen Ausgängen. Sie liefern die für die Versorgung der Treiber notwendigen
15 und -9 V. Dadurch ist nur ein Wandler nötig. Das spart wertvollen Platz und Geld.

Ansteuerung der SiC MOSFETs

Aufgrund der Treiberanforderungen sind SiC-MOSFETs einfach einzusetzen, da bereits bei Si-IGBTs und Si-MOSFETs bekannte und erprobte Treiberschaltungen verwendet werden können. Von Nachteil ist jedoch der stark temperaturabhängige R_DS(on).

Um ein sauberes und schnelles Schaltverhalten zu erreichen, muss beim Ein- und Ausschalten auf die Amplitude der Versorgungsspannung geachtet werden. Bei positiver Gatespannung achtet man darauf, einen geringen R_DS(on) zu erhalten. Der SiC-MOSFET lässt sich auch mit 12 V schalten, hat dann aber einen mehr als 30 Prozent höheren R_DS(on), als mit 20 V am Gate.

Im ausgeschalteten Zustand empfiehlt es sich aufgrund der niedrigen Gate Source Threshold Voltage das Gate negativ zu laden, um unbeabsichtigtes Einschalten zu verhindern. Eine zu hohe negative Ladung kann sich allerdings als nachteilig erweisen. Abhängig vom Bauteil führt sie in manchen Fällen zu einer Verringerung der Gate Source Threshold Voltage. Sinkt diese zu weit, kann der Halbleiter seine selbstsperrende Eigenschaft verlieren. -5 V haben sich als sichere Lösung herausgestellt.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat Recom zwei DC/DC-Wandler-Familien für SiC-MOSFETs entwickelt. Sie sind speziell für die Anforderungen von SiC-MOSFET-Treibern ausgelegt. Beide besitzen die zur Ansteuerung von SiC-Treibern erforderlichen asymmetrischen Ausgänge mit 20 und -5 V, bei Eingangsspannungen von 5, 12, 15 oder 24 V. Außerdem verfügen sie über eine hohe Isolation von wahlweise 3, 4 oder 5,2 kV_DC.

Aufgrund ihres internen Aufbaus weisen die Module sehr geringe parasitäre Kapazitäten auf und besitzen einen Power Sharing Mode. Sie liefern eine Leistung von 2 W, sind UL-60950-1 zertifiziert und erfüllen die RoHS2- und REACH-Richtlinien, kommen also ohne gefährliche Stoffe aus. Recom gibt für die Wandler drei Jahre Garantie.