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Neuartiges Mixed-Signal-Treiber-IC für SiC-MOSFETs

Toshiba, Gate Driver
Überblick und Auswirkungen im neu entwickelten Mixed-Signal-Treiber-IC für SiC-MOSFETs.
© Toshiba

SiC-MOSFETs können die Verluste in leistungselektronischen Systemen deutlich verringern. Bei konventionellen Ansteuerverfahren steigen jedoch damit die EMV-Störungen. Ein neuartiges Mixed-Signal-Treiber-IC von Toshiba, das bis 2025 produktionsreif sein soll, könnte diesen Zielkonflikt lösen.

Derzeit dominieren noch die siliziumbasiertem Bauelemente wie IGBTs und MOSFETs den Markt für Leistungshalbleiter. Um den Wirkungsgrad von Stromversorgungen weiter zu verbessern, müssen die bei der Wandlung auftretenden Verluste sinken. Daher schreitet die Entwicklung von sogenannten Wide-Bandgap-Leistungshalbleitern, wie zum Beispiel Siliziumkarbid-MOSFET (SiC), voran.

Werden diese Bauelemente jedoch mit konventionellen Verfahren angesteuert, erkauft man sich die geringeren Verluste mit höheren Störgrößen. Außerdem steigt im Fall eines Kurzschlusses oder eines anderen Fehlers die Temperatur viel schneller an als bei Silizium-Bauelementen, was den Ausfall dieser Bauelemente beschleunigt.

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Zwar wurden Technologien erforscht, mit denen sich die Störabstrahlung in Wide-Bandgap-Leistungshalbleitern durch verbesserte Ansteuerungsverfahren verringern lässt. Allerdings hat es sich bisher als schwierig erwiesen, die Störabstrahlung auf flexible Weise zu verringern, da die optimale Methode je nach Strom und Spannung am Leistungshalbleiter unterschiedlich ist. Darüber hinaus erfordern herkömmliche Methoden, dass Systementwickler die Funktionen, um Kurzschlüsse und Ähnliches zu erkennen und abzusichern, über einen Mikroprozessor implementieren. Die damit verbundene Verzögerung kann dazu führen, dass das Bauteil zu Schaden kommt.

Analoge und digitale Schaltkreise kombiniert

Toshiba hat auf dem 2021 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE) dafür nun einen monolithisch integriertes Treiber-IC vorgestellt, das auf einem Chip analoge und digitale Schaltkreise kombiniert. Es lässt sich nach Unternehmensangaben mit kostengünstigen CMOS-Technologien auf bestehenden Produktionsanlagen fertigen. Den praktischen Einsatz des ICs plant Toshiba bis 2025.

Um den geforderten großen Funktionsumfang zu realisieren, waren bisher Konfigurationen mit vielen einzelnen Halbleiterchips wie Signalwandlern, Speichern, Versorgungsschaltungen und Operationsverstärkern erforderlich. Die analogen Schaltkreise erfassen Spannung und Strom im Leistungshalbleiter, während die digitalen Teile eine Steuerungsmethode auswählen, die auf den erfassten Ergebnissen basiert und dadurch eine optimale Ansteuerung ohne viele Bauteile ermöglicht.

Neuartiges Mixed-Signal-Treiber-IC für SiC-MOSFETs

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Der Chip verfügt auch über einen internen Speicher, in dem die Steuerverfahren abgelegt werden können. Dabei werden langsame digitale und schnelle analoge Schaltungen kombiniert, sodass eine ausreichend feine Regelung möglich ist, indem analoge Schaltungen nur für die Teile verwendet werden, die eine sehr schnelle Regelung erfordern.

Außerdem hat Toshiba eine Technologie entwickelt, um analoge Signalformen vorzuverarbeiten, die aus den sehr schnellen Spannungs- und Stromverläufen in Leistungshalbleitern nur diejenigen Merkmale extrahiert, die für die Ansteuerung und Fehlererkennung relevant sind und somit eine Fehlererkennung mit einem langsamen A-D-Wandler ermöglicht. Somit ist es nicht notwendig, einen Mikroprozessor zu bemühen, sodass Kurzschlüsse und andere Fehler sofort erkannt werden können. Fehlerzustände lassen sich dadurch innerhalb von 2 µs erkennen.

Störabstrahlung halbiert

Mit diesem IC ist es Toshiba gelungen, einen SiC-MOSFET mit 1200 V Sperrspannung anzusteuern und die Überspannung, die eine Hauptursache für die Entstehung von Störsignalen ist, um 51 Prozent zu reduzieren, ohne gleichzeitig die Verlustleistung zu erhöhen. Mit herkömmlichen Methoden würde eine entsprechende Reduzierung der Überspannung die Verluste etwa beim Betreiben des Motors erhöhen.

Theoretische Berechnungen zeigen, dass mit diesem neuen IC die Verlustleistung um 25 Prozent sinken könnte. Mit dem IC ist es auch gelungen, Fehlerzustände innerhalb von nur 2 µs zu erkennen, ohne einen Mikroprozessor nutzen zu müssen. Es wird erwartet, dass diese Eigenschaften die Performance von Leistungshalbleitern der nächsten Generation maximieren werden.

Originalpublikation

S. Kawai, T. Ueno, H. Ishihara, S. Takaya, K. Miyazaki and K. Onizuka, "A 1ns-Resolution Load Adaptive Digital Gate Driver IC with Integrated 500ksps ADC for Drive Pattern Selection and Functional Safety Targeting Dependable SiC Application," 2021 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2021, pp. 5417-5421, doi: 10.1109/ECCE47101.2021.9595461.


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