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Hochvolt-Batterien effizient und sicher laden

01. März 2021, 07:30 Uhr   |  Rohm Semiconductors GmbH

Hochvolt-Batterien effizient und sicher laden
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Wide-Bandgap-Halbleiter erhöhen die Wirkungsgrade aller Umrichtersysteme der Leistungselektronik. Sie sind für effektive Ladegeräte essenziell. Die Gate-Treiber von ROHM bieten alle nötigen Funktionen, um sowohl Silizium-Halbleiter als auch Siliziumkarbid-MOSFETs sicher und effizient zu betreiben.

ROHM bietet Gate-Treiber zum sicheren, effizienten Betrieb von Si-Halbleitern und SiC-MOSFETs.

Die neuesten Trends in der Leistungselektronik für Elektrofahrzeuge und industrielle Anwendungen erfordern nicht nur den Betrieb mit kontinuierlich höheren Spannungen und Wirkungsgraden, sondern auch mehr Sicherheit für die verwendeten Komponenten. Diese Trends öffnen die Tür für Wide-Bandgap-Halbleiter wie Siliziumkarbid-MOSFETs.

Wide-Bandgap-Halbleiter ermöglichen höhere Wirkungsgrade sämtlicher Umrichtersysteme der Leistungselektronik. Sie sind somit für schnelle und effektive Ladeeinheiten sowohl im Auto (Onboard-Ladegerät) als auch extern (Offboard-Ladegerät) essenziell. Allerdings sind die niedrigeren Verluste auch mit Herausforderungen verbunden. Die hohen Flankensteilheiten, die die niedrigen Schaltverluste erst ermöglichen, bergen zum Beispiel Gefahren vor parasitärem Widereinschalten der Halbleiter, was zu deren Zerstörung führen kann und verhindert werden muss. ROHMs Portfolio an Gate-Treibern bietet alle nötigen Funktionen, um sowohl Silizium-Halbleiter als auch SiC-MOSFETs sicher und effizient zu betreiben.

Die Coreless-Transformer-Technologie ist eine von wenigen Isolationstechnologien, die sich aufgrund von Lebensdaueranforderungen und Datenübertragungsgeschwindigkeit für den Einsatz in integrierten Schaltungen eignet. Die Technologie ist ideal für kompakte und effiziente Gate-Treiber in Hochvolt-Systemen. Sie ist robust gegenüber elektromagnetischen Einstrahlungen (CMTI bis 100V/ns) und langlebig. Außerdem ermöglicht sie eine Zwei-Wege-Kommunikation, wodurch Fehlermodi wie zum Beispiel Überstromerkennung (z.B. DESAT) oder Unter- bzw. Überspannungsüberwachung (UVLO, OVLO) an die Primärseite zurückgemeldet werden können. 

Coreless-Transformer-Isolationstechnologie 

Die Coreless-Transformer-Technologie von ROHM basiert auf einem Drei-Chip-Prinzip. Die drei Chips sind dabei in einem Gehäuse untergebracht, um kleinstmögliche Bauräume zu gewährleisten. Dazu gehören ein Low-Voltage-Chip, der eine Siliziumschnittstelle mit einem Logikcontroller bietet, sowie ein High-Voltage-Chip, der den Leistungshalbleiter ansteuert und schützt. Die isolierte Signalübertragung findet in einem dritten Chip über die Coreless Transformer Isolation statt.  Der Low-Voltage-Chip arbeitet mit 3,3V- bis 5V Logiken und ist somit kompatibel mit marktüblichen Logikcontrollern. ROHMs isolierte Gate-Treiber basieren auf der Coreless Transformer Isolation Technology und zeigen eine relativ niedrige Temperaturabhängigkeit der Ein- und Ausschaltzeit. Somit ermöglichen sie eine effiziente Ansteuerung der Halbleiter mit möglichst geringen Totzeiten.

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Bild 1. Produktspektrum der isolierten einkanaligen Treiber von ROHM

Isolierte einkanalige Gate-Treiber-ICs

Zur Ansteuerung einer Halbbrücke werden zwei Gate Treiber-Kanäle benötigt, ein Low-Side- und ein High-Side-Kanal. Der Schaltungsentwickler steht immer vor der Wahl zwischen einem zweikanaligen Gate-Treiber-IC, der eine kompakte Lösung ermöglicht, und zwei einkanaligen Treiber-ICs für ein einfaches und robusteres Layout. ROHM bietet für beide Möglichkeiten eine große Auswahl an, empfiehlt aber in den meisten Fällen die Verwendung einkanaliger Gate-Treiber-ICs (Bild 1). Diese Empfehlung beruht im Wesentlichen auf der Erfahrung, dass der Abstand zwischen zwei einkanaligen Treibern im PCB-Layout vergrößert werden kann. Dadurch wird das Risiko des Übersprechens zwischen den einzelnen Kanälen verringert. Dies reduziert den Bedarf an externen Filterelementen zur Realisierung eines EMV-robusten Designs. Außerdem bietet die Verwendung von zwei unabhängigen Kanälen eine höhere Design-Flexibilität, was für ein robustes Layout ebenfalls hilfreich ist und zusätzlich das Einhalten der nötigen Luft und Kriechstrecken vereinfacht. 

Brücken-Kurzschluss mit der XOR-Funktion vermeiden

Werden beide Kanäle eine Halbbrücke gleichzeitig eingeschaltet, kann dies zur Zerstörung des Leistungshalbleiters durch einen Brückenkurzschluss führen. ROHMs einkanalige Gate-Treiber verfügen über XOR-Eingänge (Bild 2), wobei Low- und High-Side jeweils invertiert angesteuert werden. Diese Ansteuerung verhindert das gleichzeitige Einschalten der Leistungshalbleiter in der Halbbrücke.

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Bild 2. XOR-Schaltung zur Vermeidung von Kurzschlüssen

Integrierte Miller-Clamp-Funktion verhindert parasitäres Selbsteinschalten (Self Turn on)

Beim Schalten eines Halbleiters in einer Halbbrücken-Anordnung treten hohe Spannungsflanken (du/dt) auf. Dies kann problematisch sein, da die Gate-Drain-Kapazität (Miller-Kapazität) des nicht schaltenden Halbleiters aufgeladen werden kann. Dabei können sich über Widerstände und Induktivitäten im Schaltkreis parasitäre Spannungen von einigen Volt entwickeln und sich somit der Threshold-Spannung des Leistungshalbleiters nähern – ein parasitäres Einschalten wird riskiert.

Bild 3 zeigt eine typische parasitäre Spannung am Gate des ausgeschalteten Leistungshalbleiters. Wenn sowohl die Low-Side als auch die High-Side des Halbbrücken-Leistungshalbleiters gleichzeitig eingeschaltet sind, entsteht ein Kurzschluss, der die Halbleiter zerstören kann. Je schneller die Schaltgeschwindigkeit des Leistungshalbleiters ist, desto höher ist die Amplitude des Miller-Stroms und umso größer ist die Wahrscheinlichkeit eines Selbsteinschaltens des Leistungshalbleiters (s. ROHM Application Note No.62AN0101E Rev.002, Gate-Source Voltage Surge Suppression Methods https://www.rohm.com/power-device-support).

Mit einer negativen Gate-Abschaltspannung lässt sich das Risiko eines parasitären Selbsteinschaltens ebenso reduzieren, wie mit einer Active-Miller-Clamp-Schaltung. Da eine negative Versorgungsspannung mit zusätzlichen Kosten und erhöhter Designkomplexität verbunden ist, wird die Active-Miller-Clamp-Schaltung in vielen Anwendungen bevorzugt. Ein Active-Miller-Clamp ist ein Transistor, der einen niederohmigen Pfad zur Gate Entladung des Leistungshalbleiters bereitstellt, transiente Spannungen abfängt und verhindert, dass eine zu hohe Gate-Spannung am nichtschaltenden Leistungshalbleiter entsteht. Bild 3 (oben) zeigt die Messergebnisse bei Verwendung einer Active-Miller-Clamp-Schaltung. Es ist deutlich zu erkennen, dass Spannungsspitzen unterdrückt werden und somit ein Self turn on des Leistungshalbleiters verhindert wird. ROHM Gate-Treiber bieten je nach Gate-Treiber-Serie eine Active-Miller-Clamp-Schaltung mit integriertem (Built In) oder externen MOSFET. Bild 3 (unten) zeigt ein Beispiel für den ROHM-Treiber BM61S41RFV-C mit integrierter Active-Miller-Clamp-Schaltung.

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Bild 3: (oben) Messergebnisse mit und ohne Active-Miller-Clamp-Funktion des Gate-Treibers BM61S41RFV-C; (unten) Gate-Treiber von ROHM mit integrierter Active-Miller-Clamp-Schaltung

SiC-Leistungshalbleiter erfordern ein höheres Unterspannungserkennungs-Level als Si-basierte Leistungshalbleiter

Die Unterspannungserkennung (engl. Under-Voltage Lockout, UVLO) ist eine der grundlegendsten Sicherheitsfunktionen eines Gate-Treibers. Sie überwacht die anliegende Versorgungsspannung und sorgt dafür, dass eine Fehlermeldung ausgelöst wird, sobald die Spannung unter einen bestimmten Wert fällt. Dies stellt sicher, dass der angesteuerte Leistungshalbleiter nicht durch thermische Überhitzung zerstört wird.

Da die meisten IGBTs mit einer Ansteuerspannung von 15 V betrieben werden, kamen in den letzten Jahren viele Gate-Treiber mit UVLO-Grenzen um 10 V bis 12 V auf den Markt. Für den Großteil der siliziumbasierten MOSFETs ist eine UVLO-Grenze von etwa 8,5 V bis 10 V nötig. Da die meisten SiC-MOSFETs für höchste Effizienz jedoch mit 18V statt 15V Gate-Spannungen betrieben werden sollten, würde eine UVLO mit 10 V bis 13 V keinen ausreichenden Schutz bieten. ROHM hat speziell für diesen Fall die Gate-Treiber BM61S41RFV-C und BM61S40RFV-C mit einer höheren UVLO-Grenze von 14,5 V entwickelt. Beide Bauelemente sind zudem Pin-kompatibel mit dem auf Si-MOSFET getrimmten BM61M41RFV-C mit einer UVLO von 8,5 V. Diese Pin-Kompatibilität gibt dem Entwickler einer Leistungsstufe die Flexibilität, mit Silizium- und Siliziumkarbid-basierten MOSFETs zu designen.

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Bild 4. UVLO-Anforderungen für SiC-MOSFET (links) und Silizium-IGBT (rechts)

Überspannungserkennung (OVLO) für höchste Sicherheitsanforderungen

Die meisten marktüblichen Gate-Treiber schützen die angesteuerten Halbleiter durch Unterspannungserkennung (UVLO), vernachlässigen aber die Tatsache, dass die Versorgungsspannung auch zu hoch werden kann. Eine erhöhte Versorgungsspannung ist ebenso gefährlich, da sie zu unkontrollierbaren Kurzschlüssen führen oder die Lebensdauer des Halbleiters reduzieren kann. ROHM bietet mit dem Gate-Treiber BM61S40RFV-C eine Lösung für Designs mit erhöhten Sicherheitsanforderungen. Dieser Treiber gewährleistet durch eine zusätzliche Überspannungsüberwachung von 21,5 V einen sicheren Betrieb.

Fazit

ROHMs Gate-Treiber mit Coreless Transformer Technologie bieten für leistungselektronische Schaltungen sowie für Elektrofahrzeuge und industrielle Anwendungen viele Funktionen und Vorteile. Zusammen mit den hohen Isolationsspannungen gewährleistet die Pin-zu-Pin-kompatible Gate-Treiber-Serie BM61x4xRFV Sicherheit und Effizienz auf Systemebene. Zudem bietet sie Designflexibilität für externe Ladegeräte, industrielle Netzteile oder Automotive-Anwendungen wie Onboard-Ladegeräte, DC/DC-Wandler, E-Kompressoren oder elektrischen Heizungen. Anwendungen für Traktionsumrichter im Automobilbereich können noch komplexere Gate-Treiber mit zusätzlichen Funktionen erfordern wie ROHMs BM60060FV-C oder BM6112FV-C.  

Rohm Semiconductor, MOSFET, Gate Driver, Vikneswaran Thayumanasamy
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Vikneswaran Thayumanasamy ist Applikationsingenieur bei ROHM Semiconductor Europe mit Schwerpunkt auf Gate- und Motor-Treibern.

Rohm Semiconductor, MOSFET, Gate Driver, Kevin Lenz
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Kevin Lenz ist als Application Marketing Manager bei ROHM Semiconductor Europe beschäftigt. Er ist insbesondere für den Bereich Automotive E-Powertrains (Traktions-Wechselrichter, Onboard-Ladegeräte, DC/DC, Batteriemanagement) zuständig. Sein Schwerpunkt liegt dabei auf Produkten wie SiC-Leistungshalbleitern und Gate-Treibern.

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