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Mit CoolSiC zum modernen Elektroantrieb

Synergetische Kombination von drei Spitzentechnologien

5. September 2023, 9:30 Uhr | Von Matthias Ippisch, System Application Engineer, und Matthias Weinmann, Senior Product Application Engineer, beide bei Infineon Technologies

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Halbbrücken-Board

Bild 2 zeigt das Chip-Embedding-Demonstrator-Board. Es enthält fünf Anschlüsse für den Zwischenkreiskondensator sowie drei 900-V-CeraLink-Kondensatoren in der Nähe der MOSFET-Halbbrücke, die als lokaler Zwischenkreis dienen, um die Streuinduktivität zu minimieren. Jeder Schalter besteht aus einer integrierten S-Zelle mit einem 20-mm2-CoolSiC-Chip. Durch die räumliche Nähe des Gate-Treibers zur Halbbrücke und das Single-Board-Design wird eine Gate-Verbindung mit geringer Induktivität, schnelles Schalten und geringe Oszillation erreicht.

Nicht dargestellt ist die Versorgung des Gate-Treibers, sie wird über die SMD-Stiftleisten mit dem Power-Board verbunden. Sie liefert eine bipolare Versorgungsspannung für die Sekundärseite des Treibers und versorgt auch die Primärseite. Konzipiert und ausgelegt ist die Platine für umfangreiche elektrische Messungen; sie verfügt daher über fünf SMD-Koaxialanschlüsse (SMA und MMCX) für Spannungsmessungen (Bild 3). Dadurch werden unerwünschte magnetische Einkopplungen in die Messleitungen vermieden. Realisiert wird die Strommessung über ein Netzwerk von parallel geschalteten SMD-Shunt-Widerständen, was zu einer hohen Messbandbreite führt.

Doppelpulsmessungen

In Bild 4 sind Kurvenverläufe beim Ausschalten aufgezeichnet. Dazu wurde das Board bei Raumtemperatur mit einem Abschaltwiderstand von 10 Ω und einer Zwischenkreisspannung von 800 V betrieben. Der Abschaltstrom beträgt 114 A. Im oberen Diagramm ist der gemessene Drain-Strom id,ls und die Drain-Source-Spannung vds,ls des Low-Side-MOSFET dargestellt.

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Im unteren Diagramm ist die Gate-Source-Spannung vgs,ls dargestellt. Die Gate-Spannung weist einen sehr gleichmäßigen Verlauf auf und entlädt zunächst die Eingangskapazität. Wenn nun die Drain-Source-Spannung ansteigt, ist das Miller-Plateau zu erkennen. Durch die Entladung des High-Side-MOSFET während des Spannungsanstiegs von vds,ls kommt es in dieser Phase zu einem Stromrückgang.

Nach dem Einschalten der High-Side-Body-Diode sinkt der Strom schnell ab. Aufgrund der niedrigen Induktivität (~2 nH) der Schaltzelle ist die Abschaltüberspannung minimal. Auch Oszillationen sind kaum vorhanden, sodass die EMV-Ziele im Antriebsstrang leichter erreicht werden können. Mit dem Demonstrator-Board wurden Messungen von bis zu 100 V/ns (Ausschalten) und 28 A/ns (Ausschalten der Diode) durchgeführt, die keinerlei Einschränkungen durch die CoolSiC-Technologie von Infineon aufweisen.

Kurzschlussmessungen und Desat-Erkennung

Dieses Mess-Board lässt sich auch dazu verwenden, um das Kurzschlussverhalten der 1200-V-CoolSiC-Gen2p-Technologie bei sehr niederinduktiven und schnell schaltenden Anwendungen zu testen. Da der Shunt-Widerstand der hohen Pulsenergie im Kurzschlussfall nicht standhalten kann, wird er entfernt und durch ein Kupferblech ersetzt. Dieses Kupferblech wird an die Pads des Shunt-Widerstands gelötet, sodass eine Rogowski-Spule zur Strommessung verwendet werden kann.

Infineons EiceDriver der 3. Generation zeichnet sich durch sehr geringe Blanking- (ideal für SiC), Erfassungs- und Reaktionszeiten für die eingebaute Desat-Funktion aus. Gemessene Kurvenformen sind in Bild 5 zu sehen. In der oberen Abbildung ist der Strom für verschiedene Entsättigungskondensatoren dargestellt, während die mittlere und untere Grafik die Drain-Source-Spannung sowie die Gate-Source-Spannung zeigen.

Nach einem sehr schnellen Stromanstieg von 55 A/ns (Rg,on,ext = 0 Ω) erreicht der Strom bei etwa 1200 A die Sättigung. Anschließend steigt die Chip-Temperatur an. Dies führt zu einem reduzierten Sättigungsstrom, bevor der MOSFET über den Soft-Off-Pin abgeschaltet wird. Nach dem Einschalten (VEE +1,5 V) der Treiberstufe benötigt der Treiber nur 456 ns, um den Kurzschluss zu erkennen und darauf zu reagieren (VCC –1,5 V). Es wird eine minimale Kurzschlusszeit von 549 ns erreicht, was die hervorragende Leistung der Kombination aus einem Infineon-EiceDriver und einem Embedded-Design demonstriert.

Trotz der hohen Momentanleistung liegt die so erreichte Kurzschlussenergie weit unter dem Wert, der den Chip zerstören würde.