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Automotive-DC-DC-Wandler

Tiefsetzsteller mit zweitem isoliertem Ausgang

STMicroelectronics, Electric Vehicles, Isobuck A6986I
© STMicroelectronics, WEKA Fachmedien

Im Auto arbeiten die Leistungshalbleiter gewöhnlich an der Hochspannungsbatterie mit 400 V oder mehr, während sich die IGBT- oder MOSFET-Treiber aus der 12-V-Batterie speisen. Um sich einen zusätzlichen isolierten DC-DC-Wandler zu sparen, hat STMicroelectronics die Isobuck-Technologie entwickelt.

On-Board-Ladegeräte, Kompressoren, Booster oder der Hauptumrichter für Hybrid- oder batterieelektrische Fahrzeuge enthalten Steuer-, Überwachungs- und Kommunikationskomponenten, die mit niedrigen Spannungen (z. B. 5 V oder 3,3 V) versorgt werden. Gleichzeitig finden sich darin auch Leistungskomponenten für die Ansteuerungsstufe, zum Beispiel MOSFETs, die mit hohen Spannungen betrieben werden. Je nach Architektur können diese von 400 V bis zu 800 V und mehr reichen (Bild 1).

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STMicroelectronics, Electric Vehicles, Isobuck A6986I
Bild 1: Typische Stromversorgungs-Architektur in einem Elektroauto. Während sich die Komponenten der Niederspannungsseite üblicherweise aus der 12-V-Bleibatterie speisen, arbeiten die modernen Hochleistungs-MOSFETs direkt an der Hochspannungsbatterie.
© STMicroelectronics

Während sich die Komponenten der Niederspannungsseite üblicherweise aus der 12-V-Bleibatterie über einen nicht isolierten Tiefsetzsteller (Buck Converter) speisen, arbeiten die modernen Hochleistungs-MOSFETs direkt an der Hochspannungsbatterie. Die Schnittstelle dieser beiden Seiten sind die Gate-Treiber. Diese erhalten ihre Steuersignale von der Niederspannungsseite – in der Regel von einem Mikrocontroller –, während ihre Ausgänge die Leistungs-MOSFETs direkt ansteuern und galvanisch mit der Hochspannungsseite verbunden sind. Aus diesem Grund ist der Gate-Treiber ein entscheidendes Element, das sicherstellt, dass die beiden Spannungsebenen voneinander abgeschottet bleiben.

Trotzdem müssen die Eingangs- und die Ausgangsseite des Gate-Treibers mit Energie versorgt werden, um die verschiedenen Funktionsblöcke zu betreiben. Außerdem benötigt die Ausgangsseite die passende Spannung, um das Gate der MOSFETs anzusteuern. Diese liegt bei Silizium-MOSFETs in der Regel im Bereich von 0 V bis +20 V, bei Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC) im Bereich von –5 V bis +18 V. Da diese Bauteile, die auf der Hochspannungsseite liegen, für deren Ansteuerung eigentlich eine niedrige Spannung erfordern, kommen die Ansteuerspannung in der Regel aus dem 12-V-Bordnetz.

Im Fehlerfall könnte die Spannung der Hochspannungsbatterie dann aber direkt auf die 12-V-Ebene durchgreifen, mit möglicherweise katastrophalen Auswirkungen für die empfindliche Elektronik. Um daher die beiden Spannungsebenen sicher galvanisch zu trennen, muss auch die Hochspannungsseite des Gate-Treibers mit einer Trennstufe versehen werden.

So arbeitet die Isobuck-Topologie

Hierfür existieren verschiedene Lösungen, manchmal bieten auch die Gate-Treiber selber einen integrierten Sperrwandler. Eine weitere effiziente Möglichkeit bietet nun STMicroelectronics: den Isobuck-Baustein A6986I. Dieser unterstützt einen nicht isolierten und einen galvanisch getrennten Ausgang. Der A6986I kann am Primärausgang (Buck) bis zu 2 A liefern, während der isolierte Sekundärausgang 5 W bereitstellen kann (Bild 2). Somit lassen sich mit einem einzigen Baustein aus der 12-V-Batterie alle Funktionsblöcke des Gate-Treibers mit ausreichend Energie beliefern.

STMicroelectronics, Electric Vehicles, Isobuck A6986I
Bild 2: Der Isobuck-Baustein A6986I unterstützt einen nicht isolierten und einen galvanisch getrennten Ausgang. Der A6986I kann am Primärausgang (Buck) bis zu 2 A liefern, während der isolierte Sekundärausgang 5 W bereitstellen kann. Somit lassen sich mit einem einzigen Baustein aus der 12-V-Batterie alle Funktionsblöcke des Gate-Treibers mit ausreichend Energie beliefern.
© STMicroelectronics

Der A6986I arbeitet sowohl beim Anlassen als auch bei Lastabwurf, da der Betriebsspannungsbereich von minimal 4 V bis 38 V reicht. Die Schaltfrequenz ist von 250 kHz bis zu 1 MHz konfigurierbar und arbeitet im erzwungenen PWM-Modus. Ferner bietet der Baustein standardmäßig Schutzfunktionen wie das Abschalten bei Überspannung und Überhitzung. Konfigurierbarer Soft-Start, Power-Good-Pin oder Inhibit-Pin sind neben anderen Funktionen ebenfalls verfügbar. Evaluation-Boards sind erhältlich.

Der primäre, nicht isolierte Ausgang ist als synchron gleichgerichteter Tiefsetzsteller (Buck Converter) ausgeführt, enthält also zwei Leistungs-MOSFETs – einen High-Side- und einen Low-Side-Schalter, der als Freilaufdiode wirkt. Diese Schaltung eignet sich zum Beispiel dafür, den Mikrocontroller oder die Niederspannungsseite des Gate-Treibers zu versorgen. Der galvanisch getrennte Sekundärausgang ist als Sperrwandler (Flyback Converter) ausgeführt und kann die Hochspannungsseite des Gate-Treibers speisen.

Je nach Übersetzungsverhältnis des Sperrwandler-Transformators kann die Ausgangsspannung sowohl niedriger als auch höher als die Eingangsspannung sein. Selbst mehrere Sekundärwicklungen sind möglich, sodass mehrere voneinander isolierte Sekundärausgänge mit Spannungen möglich sind, die von der Anzahl der Windungen der jeweiligen Wicklung in jeder Sekundärstufe abhängen. Bei der Auslegung des Wicklungsverhältnisses muss auch der Durchlassspannungsabfall der sekundären Gleichrichterdiode sowie der ohmsche Widerstand der Wicklungen der einzelnen Spulen berücksichtigt werden. Ein weiterer relevanter Parameter, der bewertet werden muss, ist die Streuinduktivität.


  1. Tiefsetzsteller mit zweitem isoliertem Ausgang
  2. Funktionsweise der Isobuck-Topologie

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