Zukunftssichere Stromschaltlösungen
22.03.2024
Die Nachfrage nach höherer Effizienz bei steigenden Ausgangsleistungen in automobilen, industriellen und inverterbasierten Anwendungen wächst stetig. Bei Elektrofahrzeugen (EVs) ist diese Effizienzsteigerung entscheidend, um die Reichweite durch effizientere Motorsteuerungen und schnellere Ladegeräte zu erhöhen. In der Industrie spielt Energieeffizienz eine zentrale Rolle bei der Reduzierung des globalen Stromverbrauchs und langfristiger Nachhaltigkeit, was das zunehmende Interesse an DC-Mikronetz-Technologien erklärt. Im Bereich erneuerbarer Energien fördern hohe Wirkungsgrade die Nutzung von Photovoltaik, Wasser- und Windenergie zur Maximierung begrenzter natürlicher Ressourcen.
Um dieses entscheidende Ziel zu erreichen, bewegt sich die Leistungselektronik in Richtung höherer Schaltfrequenzen und Spannungen, wobei Kosten-Nutzen-Verhältnisse abgewogen und die Baugröße reduziert wird (Abbildung 1).
Diese Entwicklung erfordert die Integration fortschrittlicher Halbleiterbauelemente, wobei regelmäßig neue Generationen von Leistungs-MOSFETs sowie Wide-Band-Gap-Komponenten wie SiC und GaN erscheinen.
Entwicklungsingenieure stehen vor der Herausforderung, in einem Umfeld stetiger Fortschritte bei Schalttransistoren eine Leistungsstufe so zu gestalten, dass sie zukünftige Generationen integrieren kann – ohne dass das Design laufend angepasst werden muss.
Betrachten wir ein typisches Designbeispiel:
Gesucht wird eine Lösung für ein fortschrittliches dreiphasiges EV-Ladegerät mit hoher Effizienz und kompakter Bauform. Die Leistungsstufe soll vollständig bidirektional sein und in beide Richtungen – AC/DC und DC/AC – gleichermaßen effizient arbeiten. Auf der AC-Seite wird ein aktiver Power-Factor-Controller (PFC) benötigt, auf der DC-Seite geringe Schaltverluste und Kompatibilität mit Batteriespannungen bis 800VDC. Die Schaltung soll mit hoher Frequenz arbeiten, um induktive Bauteile kleiner und leichter zu machen.
Entwicklungsingenieure stehen vor der Herausforderung, in einem Umfeld stetiger Fortschritte bei Schalttransistoren eine Leistungsstufe so zu gestalten, dass sie zukünftige Generationen integrieren kann – ohne dass das Design laufend angepasst werden muss.
Betrachten wir ein typisches Designbeispiel:
Gesucht wird eine Lösung für ein fortschrittliches dreiphasiges EV-Ladegerät mit hoher Effizienz und kompakter Bauform. Die Leistungsstufe soll vollständig bidirektional sein und in beide Richtungen – AC/DC und DC/AC – gleichermaßen effizient arbeiten. Auf der AC-Seite wird ein aktiver Power-Factor-Controller (PFC) benötigt, auf der DC-Seite geringe Schaltverluste und Kompatibilität mit Batteriespannungen bis 800VDC. Die Schaltung soll mit hoher Frequenz arbeiten, um induktive Bauteile kleiner und leichter zu machen.
Ein möglicher Lösungsansatz mit dreiphasigem PFC, bidirektionalem LLC-Vollbrückenwandler und aktiver Gleichrichtung ist in Abbildung 2 dargestellt. Diese Lösung benötigt vierzehn Leistungstransistoren – optimal wäre ein Mix aus MOSFETs, SiC- und GaN-Transistoren.
Alle Transistoren benötigen eigene Gatetreiber, wobei die High-Side-Transistoren (Q1, Q3, Q5, Q7, Q9, Q11, Q13) galvanisch isoliert sein müssen. Gatetreiber mit getrennten Out+- und Out--Pins ermöglichen den Einsatz unterschiedlicher Gate-Widerstände für Ein- und Ausschaltvorgänge zur Optimierung der Schaltcharakteristik.
Die isolierten Spannungen Vpos und Vneg können so gewählt werden, dass sie den Transistor vollständig durchsteuern und schnell entladen. Eine negative "Aus"-Spannung erhöht zudem die Schaltsicherheit durch Vermeidung unerwünschter Einschaltvorgänge infolge von Source-Induktivitäten1. Das Problem: Unterschiedliche Transistortechnologien und Generationen haben verschiedene empfohlene und absolute maximale Gatesteuerspannungen (Abbildung 3).
Alle Transistoren benötigen eigene Gatetreiber, wobei die High-Side-Transistoren (Q1, Q3, Q5, Q7, Q9, Q11, Q13) galvanisch isoliert sein müssen. Gatetreiber mit getrennten Out+- und Out--Pins ermöglichen den Einsatz unterschiedlicher Gate-Widerstände für Ein- und Ausschaltvorgänge zur Optimierung der Schaltcharakteristik.
Die isolierten Spannungen Vpos und Vneg können so gewählt werden, dass sie den Transistor vollständig durchsteuern und schnell entladen. Eine negative "Aus"-Spannung erhöht zudem die Schaltsicherheit durch Vermeidung unerwünschter Einschaltvorgänge infolge von Source-Induktivitäten1. Das Problem: Unterschiedliche Transistortechnologien und Generationen haben verschiedene empfohlene und absolute maximale Gatesteuerspannungen (Abbildung 3).
Ein Gatetreiber, der auf IGBTs mit asymmetrischer Versorgung von +15/-9V ausgelegt ist, kann eine SiC-Erst- oder Zweitgeneration mit nur 1V Spielraum zur negativen Maximalgrenze stark beanspruchen – oder mit der Drittgeneration überhaupt nicht funktionieren. Auch bei einem Wechsel von SiC-Gen1 zu Gen3 entstehen ähnliche Risiken: +20V könnten den Grenzwert der neuen Generationen überschreiten und vorzeitige Ausfälle verursachen.
Neue Transistorgenerationen benötigen in der Regel geringere Gatesteuerspannungen zum Durchsteuern oder Sperren. Dennoch unterscheiden sich die optimalen Werte je nach Hersteller, Version und Typ. Da die Versorgungsspannungen (Vpos und Vneg) über einen isolierenden Transformator oder DC/DC-Wandler bereitgestellt werden, verlangt jede Transistorwahl eine individuelle Lösung – auch wenn der Gatetreiber selbst universell nutzbar ist. Sogar ein pinkompatibler Zweitquellen-Transistor kann somit Layoutänderungen bei der Spannungsversorgung erfordern.
Gesucht ist also ein programmierbares, isoliertes, asymmetrisches Netzteil, mit dem sich die Gatetreiber-Spannung an aktuelle und künftige Transistorgenerationen anpassen lässt.
Neue Transistorgenerationen benötigen in der Regel geringere Gatesteuerspannungen zum Durchsteuern oder Sperren. Dennoch unterscheiden sich die optimalen Werte je nach Hersteller, Version und Typ. Da die Versorgungsspannungen (Vpos und Vneg) über einen isolierenden Transformator oder DC/DC-Wandler bereitgestellt werden, verlangt jede Transistorwahl eine individuelle Lösung – auch wenn der Gatetreiber selbst universell nutzbar ist. Sogar ein pinkompatibler Zweitquellen-Transistor kann somit Layoutänderungen bei der Spannungsversorgung erfordern.
Gesucht ist also ein programmierbares, isoliertes, asymmetrisches Netzteil, mit dem sich die Gatetreiber-Spannung an aktuelle und künftige Transistorgenerationen anpassen lässt.
RECOM hat mit dem RxxC2T25Seinen passenden DC/DC-Wandler entwickelt: ein SMD-Baustein im SOIC-Gehäuse mit integriertem Isolationstransformator (Abbildung 4). Die Ausgänge lassen sich über Widerstandswerte im Feedback-Netzwerk unabhängig im Bereich von +2,5V bis +22,5V und -2,5V bis -22,5V einstellen – und ermöglicht so beispielsweise +15/-9V, +20/-5V, +18/-4V, +15/-3V oder jede andere Kombination innerhalb eines Gesamtspannungsbereichs von 18–25V.
Entwickler können so flexibel zwischen SiC-, MOSFET- und GaN-Transistoren oder deren Lieferanten wechseln – einfach durch Anpassung von BoM-Widerständen, ohne das PCB-Design ändern zu müssen. Kommt eine neue Generation mit z.B. +14,5/-3,5V auf den Markt, ist das Design zukunftssicher. Zudem sind die Ausgänge unabhängig geregelt – entscheidend für hohe Schaltwirkungsgrade bei sehr geringen Spannungsreserven zum Maximalwert. Mit steigenden Leistungen im Kilowattbereich wird das Umfeld des Gatetreibers zunehmend anspruchsvoller. Trotz niedriger Schaltverluste modernerWBG-Technologien sind hohe Umgebungstemperaturen zu erwarten. Harte Schaltverläufe und thermische Belastung können die Lebensdauer von Netzteilen beeinträchtigen.
Der RxxC2T25S wurde genau für diese Bedingungen entwickelt: hohe thermische Robustheit, breiter Temperaturbereich und geringe EMI-Emissionen machen ihn zur optimalen Wahl für moderne Leistungsschalterlösungen.
Entwickler können so flexibel zwischen SiC-, MOSFET- und GaN-Transistoren oder deren Lieferanten wechseln – einfach durch Anpassung von BoM-Widerständen, ohne das PCB-Design ändern zu müssen. Kommt eine neue Generation mit z.B. +14,5/-3,5V auf den Markt, ist das Design zukunftssicher. Zudem sind die Ausgänge unabhängig geregelt – entscheidend für hohe Schaltwirkungsgrade bei sehr geringen Spannungsreserven zum Maximalwert. Mit steigenden Leistungen im Kilowattbereich wird das Umfeld des Gatetreibers zunehmend anspruchsvoller. Trotz niedriger Schaltverluste modernerWBG-Technologien sind hohe Umgebungstemperaturen zu erwarten. Harte Schaltverläufe und thermische Belastung können die Lebensdauer von Netzteilen beeinträchtigen.
Der RxxC2T25S wurde genau für diese Bedingungen entwickelt: hohe thermische Robustheit, breiter Temperaturbereich und geringe EMI-Emissionen machen ihn zur optimalen Wahl für moderne Leistungsschalterlösungen.
1 Eine detaillierte Analyse der Notwendigkeit einer negativen Gate-Treiberspannung (auch für Low-Side-Schalter) finden Sie im Whitepaper "Entwicklung von robusten Transistorschaltungen mit IGBTs, SIC MOSFETS”.
Anwendungen
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R24C2T25
Fokus
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