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Minimale Schaltverluste

Elektrofahrzeuge effizient laden dank SiC-MOSFETs


Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Totem-Pole-PFC mit SiC-MOSFETs

Zum Betrieb einer Totem-Pole-PFC mit kontinuierlichem Drosselstrom sind zwei mit hoher Taktfrequenz zu betreibende Halbleiterschalter mit schnellen Body-Dioden, wie SiC-MOSFETs, als Q1 und Q2 sowie zwei mit Netzfrequenz zu betreibenden Bauelemente, zum Beispiel Si-SJ-MOSFETs, als Q3 und Q4 erforderlich. Es ist denkbar, insbesondere zur Einsparung von Kosten, die Si-SJ-MOSFETs durch zwei Dioden zu ersetzen. In diesem Fall ist mit etwas höheren Durchlassverlusten zu rechnen.

Die Silizium-Superjunction-MOSFETs werden mit der Netzfrequenz geschaltet. In der positiven Halbwelle ist Q4 permanent eingeschaltet, wie in Bild 7a dargestellt. So lange der primäre Boost-Schalter Q2 eingeschaltet ist, steigt der Strom in der Eingangsdrossel Lin. In dieser Phase wird die Last aus der Zwischenkreiskapazität versorgt. Beim Ausschalten von Q2 kommutiert der Strom zunächst auf die Body-Diode von Q1. Nach einer kurzen Totzeit wird das Gate von Q1 eingeschaltet, sodass der Kanal des SiC-MOSFETs den Strom übernimmt (Synchrongleichrichtung).

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Stromfluss in der Totem-Pole-PFC. a) Stromfluss in der positiven Halbwelle und b) Stromfluss in der negativen Halbwelle
Bild 7. Stromfluss in der Totem-Pole-PFC. a) Stromfluss in der positiven Halbwelle und b) Stromfluss in der negativen Halbwelle.
© Rohm Semiconductor

Während der negativen Halbwelle der Eingangsspannung tauschen Q1 und Q2 ihre Funktion als primärer Boost-Schalter und Synchrongleichrichter. Außerdem fließt der Strom während der negativen Halbwelle über Q3 während Q4 ausgeschaltet bleibt. Die Strompfade für die negative Halbwelle der Eingangsspannung sind in Bild 7b gezeigt.

Aus den Strompfaden ist ersichtlich, dass die Body-Dioden der SiC-MOSFETs hart geschaltet werden. Das ist aber – anders als bei Si-SJ-MOSFETs – nicht problematisch, weil die Body-Dioden der SiC-MOSFETs nur niedrige Recovery-Verluste haben.

Totem-Pole-PFC-Testplattform
Bild 8. Totem-Pole-PFC-Testplattform.
© Rohm Semiconductor

Um die Leistung der SiC-MOSFETs in dieser Schaltungsart zu untersuchen, sind die in Bild 7 dargestellte Leistungsstufe sowie weitere zum Betrieb notwendige Funktionsblöcke wie Strom- und Spannungsmessungen, Gate-Treiber und ein Mikrocontroller in einer Testplattform realisiert worden. Weil die Zielsetzung lautete, die Topologie im Zusammenspiel mit SiC-MOSFETs zu testen, stand dabei weniger im Fokus, möglichst Komponenten nah an der Endanwendung auszuwählen, sondern eine hohe Flexibilität als Testplattform zu gewährleisten. Gerade deswegen wurde beispielsweise statt auf einen kostengünstigen Regelungs-IC auf einen flexiblen Mikrocontroller gesetzt. Bild 8 zeigt die so entwickelte Testplattform.

 

In der Totem-Pole-PFC-Testplattform gemessene Wirkungsgrade (Uin = 230 V, Uout = 400 V, fSW = 100 kHz, SCT3060AW und Si-SJ-MOSFETs)

In der Totem-Pole-PFC-Testplattform gemessene Wirkungsgrade (Uin = 230 V, Uout = 400 V, fSW = 100 kHz, SCT3060AW und Si-SJ-MOSFETs)
Bild 9.In der Totem-Pole-PFC-Testplattform gemessene Wirkungsgrade (Uin = 230 V, Uout = 400 V, fSW = 100 kHz, SCT3060AW und Si-SJ-MOSFETs)
© Rohm Semiconductor

Auf dieser Testplattform konnten erste Messungen bei Ausgangsleistungen bis zu etwa 2,4 kW durchgeführt werden. Hierbei kamen als schnell taktende Halbleiter (Q1, Q2) zwei 60-mΩ-650- SiC-Trench-MOSFETs von Rohm (SCT3060AW) sowie für die mit Netzfrequenz schaltende Brücke (Q3, Q4) zwei SJ-MOSFETs zum Einsatz. Bei einer Pulsbreitenmodulations-Frequenz von 100 kHz sowie einer Ausgangsspannung von 400 V bei 230 V Eingangsspannung wurden die in Bild 9 dargestellten Wirkungsgrade erzielt.

Wie anhand der Messergebnisse zu erkennen ist, erreicht bereits diese noch nicht optimierte Hardware eine gute Leistung. Weitere Optimierungen sowohl bei der Gate-Ansteuerung des SiC-MOSFETs als auch in der Komponentenkühlung sind geplant, um zum einen den Wirkungsgrad zu verbessern und zum anderen auch den Leistungsbereich auf bis zu 3,7 kW zu erweitern.

Prädestiniert für On-Board-Ladesysteme

Niederinduktive SMD-Gehäuse wie das TO-263-7L ermöglichen es, die elektrische Performance von SiC-Trench-MOSFETs noch besser auszunutzen. Die in Kürze verfügbaren SiC-Trench-MOSFETs in diesem Gehäuse lassen sich zum Beispiel in einer Totem-Pole-PFC einsetzen, die als Leistungselektronik zum Beispiel in On-Board-Ladesystemen zum Einsatz kommen kann. Weitere Anwendungsfelder für SiC-MOSFETs im SMD-Gehäuse sind beispielsweise Motorinverter für Klimakompressoren oder Spannungsregler zur Energieübertragung zwischen dem Hochvoltnetz (400/800 V) und dem konventionellen 12-/24-V-Bordnetz. Der Einsatz der SMD-Technologie hilft dabei, nicht nur die elektrische Leistung der SiC-Halbleiter besser auszunutzen, sondern ermöglicht auch Fertigungskosten zu reduzieren, wenn insgesamt auf bedrahtete Bauteile verzichtet werden kann.

 

Die Autoren

 

Christian-Felgemacher von Rohm Semiconductor
Christian-Felgemacher von Rohm Semiconductor.
© Rohm Semiconductor

Dr.-Ing. Christian Felgemacher

studierte von 2006 bis 2011 Elektrotechnik mit Management an der University of Edinburgh in Schottland. Von 2012 an war er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Kompetenzzentrum für Dezentrale Elektrische Energieversorgungstechnik (KDEE) der Universität Kassel tätig. Dort beschäftigte er sich mit Themen der Zuverlässigkeit von Leistungshalbleitern sowie der Nutzung moderner Wide-Bandgap-Leistungshalbleiter in Konvertern zur Nutzung erneuerbarer Energie und schloss 2018 seine Promotion ab. Seit April 2017 ist er bei Rohm Semiconductor tätig und unterstützt Kunden als Field Application Engineer im Bereich Leistungshalbleiter

 

Aly-Mashaly von Rohm Semiconductor
Aly-Mashaly von Rohm Semiconductor.
© Rohm Semiconductor

Aly Mashaly

studierte Elektrotechnik an der Universität in Kairo. Das Masterstudium absolvierte er an der Leibniz Universität Hannover. Seine Berufslaufbahn begann er als Entwicklungsingenieur Leistungselektronik bei Liebherr Elektronik. Anschließend übernahm er die Leitung des eMobility- Bereiches bei KEB. Seit Juli 2015 ist er bei Rohm Semiconductor tätig und verantwortet die Power-Systems- Abteilung für den europäischen Markt.

 


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