Die Störbeständigkeit verbessern
Leistungswandler-Architekturen für 48-V-Mildhybrid-Fahrzeuge
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Die neuen Automotive-Prototypen
Prototypen von Automotive-MOSFETs mit Nennspannungen von 80 V bis 100 V, die mit der neuen Technologie hergestellt wurden, legen ein klassenbestes Schaltverhalten an den Tag, mit sanften Spitzen von VDS und sehr kurzen Oszillationsphasen. Mit den neuen MOSFETs erreicht der Gleichspannungswandler einen gemessenen Wirkungsgrad von 94 %, wie in Bild 3 erkennbar ist.
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Der Wirkungsgrad des Wandlers wird ebenfalls von der Sperrverzögerungsladung der Body-Drain-Diode des LS-MOSFET beeinflusst. Die neue technologische Weiterentwicklung sorgt auch hier für signifikante Verbesserungen, und zwar selbst dann, wenn der in die Body-Diode fließende Sperrerholstrom steile Flanken (das heißt hohe di/dt-Werte) aufweist. Siehe dazu die in Bild 4 gezeigten Signalverläufe.
Der tatsächlich in der Diode fließende Strom ist zehnmal höher als in Bild 4 gezeigt, da bei der Messung von ISD = 60 A ein Stromwandler verwendet wurde.
Dieser Sperrerholstrom hat außerdem erheblichen Einfluss auf das Emissionsverhalten des Wandlers, denn wegen der beim Abklingen des Stroms auf Null auftretenden Oszillationen ist er die Hauptursache hochfrequenter Störaussendungen [4]. Nahfeld-Emissionsmessungen geben die EMI-Beständigkeit der neuen MOSFET-Prototypen wieder und vergleichen das Emissionsaufkommen mit Bausteinen der Reihe STripFET F7. Das experimentell ermittelte Emissionsspektrum des LS- und des HS-MOSFET in einer Halbbrückentopologie geht aus den Bildern 5 und 6 hervor. Die Bausteine schalten dabei einen Strom von etwa 15 A [5].
Die in beiden Abbildungen erkennbare höhere Emissionsrate bei niedrigeren Frequenzen hängt mit den Schaltbedingungen der Applikation zusammen. Bei höheren Frequenzen (über 1 MHz) weisen die als HS-Schalter eingesetzten neuen Prototypen geringfügig niedrigere Emissionsraten auf als entsprechende F7-Bausteine, wenn die gleiche Platine und die gleichen Betriebsbedingungen (Schaltfrequenz, Strom und Bias-Spannung) zugrunde gelegt werden.
Höherer Wirkungsgrad
In Mildhybrid-Systemen können die auf der neuen Technologie basierenden Prototypen einen höheren Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers gewährleisten, was auf das verbesserte Schaltverhalten und die niedrigeren Verluste zurückzuführen ist. Abgesehen davon besitzen sie, was das Sperrerholverhalten und die sanfte Charakteristik der Body-Drain-Diode angeht, die gleichen ausgezeichneten Eigenschaften wie STripFET F7 MOSFETs und tragen so zur Minimierung der hochfrequenten Störaussendungen bei. Das Resultat sind optimale Eigenschaften in jeglichen Topologien für Leistungswandlung und Motorregelung.
Die Autoren
Filippo Scrimizzi
arbeitet im Application Competence Center & Innovation System Solutions für Low-Voltage-Produkte und GaN-Lösungen in der F&E-Abteilung von STMicroelectronics in Catania.
filippo.scrimizzi@st.com
Carmelo Mistretta
ist Applikationsingenieur für Motorsteuerungs- und SMPS-Anwendungen mit LV-MOSFETs. Er kam 2002 zu STMicroelectronics und verfügt über einen Master in Elektrotechnik.
carmelo.mistretta@st.com
Giusy Gambino
ist Marketing-Projektmanagerin in der Automotive Discrete Group bei STMicroelectronics in Catania. Daneben ist sie ist für die technische Dokumentation bei LV-Leistungs-MOSFETs zuständig.
giusy.gambino@st.com
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