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Gate-Treiber

SiC-Module richtig ansteuern

26. März 2020, 9:30 Uhr | Pierre Delatte, Cissoid

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Hohe Schaltfrequenz und Isolation

Durch ihre geringen Schaltverluste können SiC-Transistoren die Schaltfrequenz von Leistungswandlern erhöhen und gleichzeitig die Kühlung leistungselektronischer Bauelementen unter Kontrolle halten. Dies reduziert die Größe von Filtern und Transformatoren und ermöglicht wesentlich kleinere und leichtere Leistungswandler. Um hohe Schaltfrequenzen sicherzustellen, muss der isolierte DC-DC-Wandler des Gate-Treibers einen ausreichenden großen durchschnittlichen Gate-Strom liefern können, der sich aus der Multiplikation von gesamter Gate-Ladung und Schaltfrequenz ergibt.

Der CMT-TIT8243 liefert einen durchschnittlichen Gate-Strom von 95 mA pro Kanal. Mit SiC-MOSFET-Modulen für 1200 V/300 A steht eine Gate-Gesamtladung von circa 1 µC bei 800 V/300 A bereit, das heißt, der Gate-Treiber kann mit einer Schaltfrequenz von 92 kHz betrieben werden. In der Praxis begrenzt nicht der Gate-Treiber die Schaltfrequenz, sondern die Schaltverluste im Modul.

Die SiC-MOSFET-Technologie trägt auch dazu bei, eine hohe Leistungsdichte durch eine höhere Sperrschichttemperatur zu erzielen. Mit zunehmender Leistungsdichte im Inneren des Wandlers steigt auch die Umgebungstemperatur.

Wird viel Aufwand für die Kühlung dieser Leistungsmodule betrieben, wird oft die Kühlung des Gate-Treibers vernachlässigt. Dieser Gate-Treiber kann bei einer Betriebstemperatur von +125 °C ohne Derating in Bezug auf den maximalen durchschnittlichen Gate-Strom einen thermischen Spielraum für Wandler mit hoher Leistungsdichte bieten und so deren thermisches und mechanisches Design vereinfachen.

Eine stabile und genaue positive Ansteuerspannung ist wichtig, da der Durchlasswiderstand des SiC-MOSFETs mit der Gate-Source-Spannung abnimmt. Sind die Schwankungen bei der positiven Treiberspannung recht groß, sind auch größere Toleranzen bei der thermischen Auslegung des Leistungswandlers einzuhalten. Der CMT-TIT8243 bietet eine Genauigkeit von besser als fünf Prozent für die positive Steuerspannung, um das thermische Design der Leistungsstufe zu vereinfachen.

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Die SiC-Technologie kann ihre Vorteile bei Sperrspannungen ab 600 V ausspielen. Außerdem erzeugen hohe Werte von du/dt und di/dt Spannungsüberhöhungen an den parasitären Induktivitäten innerhalb des Versorgungskreises, einschließlich des Leistungsmoduls, der Sammelschiene und des Zwischenkreiskondensators (DC Link). Der Gate-Treiber wird ebenfalls mit diesen hohen Spannungen beaufschlagt und muss eine hohe Isolation gewährleisten.

Der Gate-Treiber CMT-TIT8243 bietet eine Isolationsspannung von mindestens 3600 V (50 Hz, 1 min.) sowohl von High-Side zu Low-Side als auch von Low-Side beziehungsweise High-Side auf Primärseite). Auch wurde der Treiber mit hohen Isolationsabständen für einen sicheren Betrieb in verschmutzten Umgebungen konzipiert. Daher liegen die Luft- und Kriechstrecken zwischen Primär- und Sekundärseite bei 12 mm beziehungsweise 14 mm.

Sicherer und zuverlässiger Betrieb

Leistungstransistoren müssen mit einer negativen Spannung abgeschaltet werden, um ein parasitäres Einschalten während des Übergangs zu verhindern. Diese negative Spannung muss jedoch gut gesteuert werden, da eine zu stark negative Gate-Vorspannung die langfristige Zuverlässigkeit des Gate-Oxids im SiC-MOSFET beeinträchtigen kann [2]. Der CMT-TIT8243 bietet für die negative Steuerspannung eine Genauigkeit von mindestens 5 %.

Der Schutz vor Fehlern für Gate-Treiber ist entscheidend – dies gilt umso mehr für die Ansteuerung schnell schaltender Bauelemente wie SiC- oder GaN-Transistoren. Zu den wesentlichen Schutzfunktionen zählen:

Unterspannungssperre (Undervoltage Lock-Out, UVLO): Der Treiber überwacht die primärseitige Versorgungsspannung sowie die sekundärseitigen Ausgangsspannungen des isolierten DC-DC-Wandlers und meldet einen Fehler, wenn die Werte unter dem programmierten Schwellenwert liegen. Die Hysterese verhindert ein falsches Fehlerereignis.
Überlappungsschutz (Totzeit): Diese sorgt dafür, dass High- und Low-Side-Leistungsschalter niemals gleichzeitig leitend sind (Shoot Through).
Aktive Miller-Klemmung (Active Miller Clamping, AMC): Sie sorgt für eine Umgehung des negativen Gate-Widerstands nach dem Ausschalten, um die Leistungs-MOSFETs vor parasitärem Einschalten zu schützen. Diese Funktion ist sehr hilfreich bei schnell schaltenden SiC-MOSFETs, die einen hohen Strom durch die Miller-Kapazität C_GD erzeugen.
Entsättigungserkennung (Desaturation): Diese überprüft beim Einschalten (nach dem Strompuls zum Laden der parasitären Kapazitäten), ob die Drain-Source-Spannung des Leistungs-MOSFET unter einem Schwellenwert liegt. Wenn nicht, liegt wahrscheinlich ein Kurzschluss im Leistungszweig vor und der aktive Transistor muss ausgeschaltet werden. Ein Fehler muss an die Steuerung gemeldet werden.
Sanftes Abschalten: Im Fehlerfall wird der Leistungstransistor langsam abgeschaltet, um Überschwingen aufgrund eines hohen di/dt zu minimieren.

Ein neues isoliertes High-Voltage-Gate-Treiber-Board für 62-mm-SiC-MOSFET-Leistungsmodule bietet eine erweiterte Temperaturbeständigkeit bei +125 °C und somit thermischen Spielraum für den Aufbau hochkompakter Leistungswandler. Ein hoher Spitzen-Gate-Strom ermöglicht schnelles Schalten und geringe Verluste, während ein hoher durchschnittlicher Gate-Strom ein hochfrequentes Schalten unterstützt. Entsprechende Isolations- und Schutzfunktionen stellen einen sicheren Betrieb des Gate-Treibers in rauen elektrischen Umgebungen sicher.

REFERENZEN

[1] P. Delatte, Designing a temperature ruggedized gate driver, EETimes, May 2015, p40-41

[2] R. J. Kaplar, et al., Degradation mechanisms and characterization techniques in SiC Mosfets at high temperature operation, Electrical Energy Storage Application and Technologies (EESAT) Conference, 16.-19 Oct 2011, San Diego, CA, USA