Türöffner für hohe Schaltfrequenzen
SiC optimal ansteuern
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Dimensionierung der Leistungsstufe bei hohen Schaltfrequenzen
Bei Frequenzen über 100 kHz und großer Leistung ist für die Dimensionierung einer Leistungsstufe die Kenntnis der Ausschaltenergie Eoff des Leistungshalbleiters bei dem berechneten Strom notwendig. Um die sehr geringen Ausschaltverluste von neuen MOSFETs aus Siliziumkarbid zu realisieren, werden Treiberbausteine mit speziellen Eigenschaften benötigt.
An dem SiC-MOSFET-Treiber von ATPE wurden Untersuchungen durchgeführt, um die Eigenschaften des Treibers zu ermitteln, die für die zuverlässige Ansteuerung des MOSFET mit sehr geringen Ausschaltverlusten notwendig sind. Bei vielen Hochfrequenzschaltungen sind die Ausschaltverluste bei der Dimensionierung der Leistungsstufe entscheidend, weil die Kommutierung des Stroms beim Ausschalten des MOSFET durch den Laststrom erfolgt und das Einschalten des anderen MOSFET in der Brücke bei geringer Drain-Source-Spannung erfolgt. Dadurch sind die Einschaltverluste geringer als die Ausschaltverluste.
Bild 2 zeigt die Schaltung zur Ermittlung der Ausschaltenergie Eoff. Die Spannung im Zwischenkreis beträgt 620 V und der Lastwiderstand R wird so eingestellt, dass der Strom ID durch den SiC-MOSFET 20 A oder 40 A beträgt. Beim Ausschaltvorgang werden die Drain-Source-Spannung UDS und der Strom ID durch die Spannung UM am Messwiderstand RM gemessen, dessen Wert 0,5 Ω mit einer Induktivität <5 nH beträgt.
Beim Ausschaltvorgang steigt die Drain-Source Spannung an und der Strom im Lastkreis fließt durch die Diode D weiter. Eine kleine Induktivität L im Lastkreis gewährleistet, dass der Strom beim Ausschaltvorgang weiter fließt und dadurch der sehr schnelle Anstieg der Drain-Source-Spannung erfolgt.
In Bild 3 ist der Ausschaltvorgang bei einem Strom von 40 A und der Konfiguration des Treibers entsprechend dem ersten Wert in Tabelle mit dem Oszilloskop aufgezeichnet. Der Stromverlauf ID nach dem Nulldurchgang entsteht durch Schwingungen am Messwiderstand RM und hat keinen Einfluss auf die Ausschalt-Energie Eoff. Die Ausschalt-Energie Eoff wurde durch Multiplikation der Drain-Source-Spannung UD mit dem Strom ID durch den MOSFET beim Ausschaltvorgang berechnet.
Jobangebote+ passend zum Thema
Messung der Ausschaltenergie
Bei der Schaltung, die für die Messung der Ausschaltenergie Eoff verwendet wurde, sind am MOSFET direkt zwischen Gate und Source vier Kondensatoren mit einer Gesamtkapazität von 8,8 nF angeschlossen. Diese zusätzliche Kapazität am Gate hat folgende Funktion: Der schnelle Spannungsanstieg zwischen Drain und Source beim Ausschaltvorgang erzeugt durch die Rückwirkungskapazität Crss einen sehr hohen Impulsstrom in das Gate, der zu einem schnellen Spannungsanstieg am Gate und zu einem sehr kurzen Wiedereinschalten führt.
Die zusätzliche Kapazität am Gate dämpft die angeregte Schwingung durch den rückgekoppelten Impuls am Gate und die schnell abfallende Spannung an der Kapazität CG erzeugt einen hohen negativen Ladestrom am Gate. So fällt die Gate-Source-Spannung trotzdem schnell ab und die durch den rückgekoppelten Spannungsimpuls entstehenden Verluste bleiben sehr gering.
Ein weiterer Vorteil der zusätzlichen Kapazität CG am Gate ist die Dämpfung von parasitären Schwingungen, die vom Source-Anschluss eingekoppelt werden. Insgesamt erhöht die zusätzliche Kapazität CG die Zuverlässigkeit, da bei einer optimalen Dimensionierung der Kapazität CG die Gate-Source-Spannung während des Ausschaltens sicher im zulässigen Bereich von 0 V bis –10 V bleibt.
Die Messung der Ausschalt-Energie Eoff wurde mit dem SiC-MOSFET MSC040SMA120B von Microsemi, einer Tochtergesellschaft von Microchip, durchgeführt.
Bei den verschiedenen Messungen wurde am verwendeten Treiber ATPE-TR1D der Wert des Gate-Vorwiderstandes verändert und dadurch die Flankensteilheit der Gate-Source-Spannung im Nulldurchgang eingestellt. Die Ergebnisse der Untersuchung sind in der Tabelle dargestellt.
Die Auswertung der Messungen ergibt folgendes Ergebnis: Wenn in einer Anwendung mit SiC-MOSFETs sehr geringe Ausschaltverluste Eoff gefordert sind, sollte die Spannung nach dem Ausschaltvorgang circa –5 V betragen und die Flankensteilheit der Gate-Source-Spannung im Nulldurchgang einen hohen Wert aufweisen.
Mit zusätzlichen, kalorimetrischen Kontrollmessungen wurden die Ergebnisse der Tabelle überprüft. Bei diesen Messungen wurde die Verlustleistung des SiC-MOSFET direkt bei 50 kHz über die Erwärmung eines Kühlkörpers gemessen. Die Kontrollmessung bei 620 V und 40 A mit dem Gate-Strom von 4 A bei 0 V ergab im Rahmen der Messgenauigkeit Übereinstimmung mit dem Wert für die Ausschaltenergie Eoff aus der Tabelle. Bei 620 V und 20 A waren die Werte sogar noch günstiger.
Tabelle: Ausschalt-Energie
Begriffserklärung zur Tabelle:
UGA – Gate-Soruce-Spannung am Ende des Ausschaltvorganges; ΔUG5/ΔT – Flankensteilheit der Gate-Source-Spannung bei 5 V; ΔUG0/ΔT – Flankensteilheit der Gate-Source-Spannung bei 0 V; IGp – maximaler Gate-Strom; IG5 – Gate-Strom bei der Gate-Source-Spannung von 5 V; IG0 – Gate-Strom bei der Gate-Source-Spannung von 0 V; CG – Kapazität zwischen Gate und Source (4-mal 2,2 nF / NP0); UD – Drain-Source-Spannung beim Ausschaltvorgang; ID – Drain-Strom beim Ausschaltvorgang.
| Eventuelle Lizenzvergabe möglich |
|---|
| Das in Eching in der Nähe von Landshut ansässige Unternehmen ATPE hat sich auf Beratungs- und Entwicklungstätigkeiten im Bereich leistungselektronischer Baugruppen spezialisiert. Nun hat ATPE einen SiC-MOSFET-Treiber entwickelt, der sich für die hohen Schaltfrequenzen von SiC eignet. Für den Treiber ist eine eventuelle Lizenzvergabe möglich. Mehr Informationen erhalten Sie per E-Mail über driver@atpe.de oder unter der Telefonnummer 08079 1524. |
Michael Klemt
hat an der TU München den Diplom-Studiengang Elektrotechnik absolviert. Derzeit arbeitet er als Entwicklungsingenieur bei ATPE und beschäftigt sich insbesondere mit dem Thema SiC-MOSFET-Treiber im Bereich Leistungselektronik.
- SiC optimal ansteuern
- Dimensionierung der Leistungsstufe bei hohen Schaltfrequenzen
Lesen Sie mehr zum Thema
Das könnte Sie auch interessieren
Pre-Switch / IGBT-Treiber
SiC-Performance zum IGBT-Preis
PFC-Stufen für Bordladegeräte
SiC-Kaskoden sind die Lösung
Fraunhofer IISB / PCIM
Keramisches Embedding für Wide-Bandgap-Halbleiter
Friedrich-Alexander-Universität
Defekte in SiC-MOSFETs genauer, schneller und einfacher finden
Drahtlos komfortabler laden
GaN-HEMTs in Class-E-Leistungsverstärkern
Elektronik-Zeitreise
VW mit Elektromotor
Elektronik-Zeitreise
Geklaute Autotelefone begehrt
UnitedSiC
650- und 1200-V-SiC-JFETs der dritten Generation
Elektronik-Zeitreise
Meteorologen in Bedrängnis
Gigafactory in den Startlöchern
Endlich deutsche Lithium-Ionen-Zellen
Leistungswandler-Applikationen
Die häufigsten Fehler in Controller-Designs
AC-Stromversorgungskonzepte für das IoT
Effiziente AC/DC-Module im Industrie-4.0-Zeitalter
