Bidirektionale Leistungsumwandlung Ein Geben und Nehmen

WBG-Halbleiter in der Leistungswandlung

Wide Band Gap (WBG)-Halbleiter – also Halbleiter mit großer Bandlücke – wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) sind im Moment als Silizium-Ersatz sehr gefragt. Als Schalter bieten sie im Vergleich zu Silizium einen geringeren Einschaltwiderstand, schnellere Schaltflanken und einen Betrieb bei höherer Temperatur. SiC-Dioden weisen keine Sperrverzögerungsladung auf und sind für hohe Spannungen ausgelegt. Hingegen sind SiC-Schalter robust mit einem hohen Lawiendurchbruch und ausgezeichneten Kurzschlussstromwerten und verfügen über eine Body-Diode, die extrem schnell ist.

Erhältlich sind SiC-MOSFETs ebenso wie JFETs und Kaskoden: eine »Normal-Aus-Kombination« aus einem Si-MOSFET und einem JFET mit nahezu idealen Schalteigenschaften ist in Bild 4 dargestellt.

WBG-Halbleiter kommen in Anwendungen zur Leistungswandlung zum Einsatz. Sie eignen sich jedoch auch für bidirektionale Wandler, bei denen der Wirkungsgrad und oft auch die Größe von Bedeutung sind. Schnelle Schaltflanken führen zu niedrigen Schaltverlusten bei schnellem Betrieb, was wiederum kleinere, passive Bauelemente (insbesondere Magnetik) ermöglicht.

Einsatz als Synchrongleichrichter

Werden Q1 bis Q4 in Bild 2b als Synchrongleichrichter verwendet – anstatt sie »Aus« zu schalten und den Body-Dioden den Aufbau des Gleichrichters zu überlassen – können die Schalter High-Voltage-Si-MOSFETs sein, die jedoch im Vergleich zu SiC höhere Verluste aufweisen. High-Voltage-MOSFETs bringen aber auch schlechte Reverse-Recovery-Eigenschaften der Body-Diode mit sich, die zu Bauteilausfällen führen können. Hier helfen für eine hohe Spannung ausgelegte SiC-Kaskoden. Die SiC-Kaskoden beinhalten eine äquivalente Body-Diode eines Low-Voltage-Si-Schalters mit einem sehr geringen Durchlassspannungsabfall und einer schnellen Erholung. Das ermöglicht einen verlustarmen Betrieb.

Als Leistungsstufe wird die Vollbrücke Q1 bis Q4 oft mit einer Phasenverschiebung im Resonanzmodus (PSFB) betrieben. Das ist der derzeit bevorzugte Modus für den besten Wirkungsgrad bei über 100 W. Es ermöglicht ZVS (Zero-Voltage Switching) beim Einschalten, wobei die externe Induktivität mit der Transformatorkapazität und der Schalterausgangskapazität COSS in Resonanz ist. SiC-Bauelemente, insbesondere Kaskoden, weisen einen sehr niedrigen COSS-Wert auf. Das ermöglicht einen niedrigen Wert der externen Induktivität für die Resonanz und trägt dazu bei, den Tastgrad und/oder die maximale Schaltfrequenz zu erhöhen.

Bidirektionale Leistungswandlung und SiC ergänzen sich

Wie erwähnt, ergänzen SiC-Bauelemente bidirektionale Leistungsumwandler und verfügen über Parameter, die geringe Verluste ermöglichen. Das ist ein wichtiges Merkmal in Energy-Harvesting-Anwendungen wie Solaranlagen und EV-Batteriesystemen.


Literaturverzeichnis

[1] https://batteryuniversity.com/index.php/learn/article/charging_lithium_ion_batteries
[2] http://www.ti.com/tool/TIDM-BIDIR-400-12

 

Der Autor

Jonathan Dodge

schloss 1992 die Oregon State University mit dem Bachelor of Engineering in Elektrotechnik und 2000 die University of Idaho mit dem Master in Elektrotechnik mit dem Schwerpunkt Leistungselektronik und Digitaldesign ab. Er verfügt über Erfahrung in den Bereichen automatisierte Fertigungsprüfung sowie Analog-, Digital- und Leistungselektronik in den Leistungsklassen von 1,5 bis 500 kW. Im Moment ist er als Senior Applications Engineer bei UnitedSiC tätig.
jdodge@unitedsic.com