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Pre-Switch / IGBT-Treiber

SiC-Performance zum IGBT-Preis

19. Juni 2019, 15:30 Uhr | Alberto Guerra, Technical Advisor bei Pre-Switch

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Soft-Switching mit künstlicher Intelligenz

Pre-Switch hat eine Lösung für die Herausforderungen entwickelt, die die Branche vom Übergang vom harten zum weichen Schalten abgehalten haben. Deren proprietäre Topologie für weiches Schalten ist eine Variation der ARCP-Topologie (Auxiliary Resonant Commutated Pole) für weich schaltende Wandler [2,3].

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Mithilfe einer ausgeklügelten, eingebetteten Künstlichen Intelligenz (KI) löst Pre-Switch komplexe Timing-Berechnungen auf dynamische Weise. Dies stellt sicher, dass auch bei variierender Eingangsspannung und Last, bei Bauteiltoleranzen und Temperaturänderungen stets präzise und weich geschaltet wird. Diese Änderungen werden von Schaltzyklus zu Schaltzyklus vorgenommen und arbeiten mit allen weich schaltenden Topologien einschließlich ARCP. Im Grunde genommen ist ARCP eine herkömmliche Umrichtertopologie mit einer Hilfsschaltung, um den Hauptumrichter weich zu schalten (Bild 1). Die Hilfsschalter S_A1 und S_A2 werden vor dem Schalten der Haupttransistoren SA und SA‘ aktiviert und induzieren einen Strom in der Hilfsinduktivität L_A, mit der die Bedingung für das sanfte Schalten der Schalter des Hauptumrichters eingeleitet wird. Die Hilfsschalter werden stromlos ein- und ausgeschaltet, während die Hauptschalter spannungsfrei geschaltet werden.

Die von Pre-Switch entwickelte Technologie löst die Grenzen des weichen Schaltens bei ARCP vollständig auf. Dadurch lassen sich die Schaltverluste jedes Leistungsschalters reduzieren, wenn nicht sogar eliminieren. Der Algorithmus kann jede Art von Leistungsschalter ansteuern und eignet sich besonders für Silizium-IGBTs und -MOSFETs, aber auch für GaN- oder SiC-Leistungsschalter. Dank der Pre-Switch-Topologie erreicht der Frequenzumrichter mit IGBTs und MOSFETs nach Industriestandard einen Gesamtwirkungsgrad, der gleich oder höher ist als die modernsten Leistungskomponenten auf Basis von SiC und GaN.

Pre-Switch hat eine Reihe von Vergleichstests durchgeführt, um zu belegen, dass die Verluste deutlich geringer sind. Diese Vergleiche wurden mit branchenüblichen IGBT-Leistungsmodulen durchgeführt, insbesondere mit dem FF225R12ME4, einem EconoDUAL-Modul von Infineon [4]. Das 1200-V-Modul wurde mit einem standardmäßigen Doppelpulstest bei verschiedenen Temperaturen und unter verschiedenen Lastbedingungen beaufschlagt. Dabei handelte es sich sowohl um eine normale, ungesteuerte, hart schaltende Kommutierung mit einem zusätzlichen ARCP-Netzwerk als auch um eine Pre-Switch-Steuerung, um die in Bild 2 dargestellte Gate-Treiber-Schaltung zu triggern. Die zusätzlich verwendeten Komponenten für die Testschaltung waren:

Zwischenkreisspannung U_Bus = 800 V,
Gate-Widerstände: R_ON = 3,3 Ω, R_OFF = 2,2 Ω,
Pre-Switch-ARCP-Netzwerk: 124 nF, 600 nH,
Strommessung: Rogowski-Spule, Ultra-Mini, 5 mV/A, 1200 A Peak, 3,2 Hz – 30 MHz (CWT UM/6/B/1/80),
Spannungsmesser: Pomona 6498 und 300 MHz, x100.

Laststrom	du/dt bei hartem Einschalten	du/dt bei hartem Ausschalten	du/dt bei weichem Einschalten mit Pre-Switch	du/dt bei weichem Ausschalten mit Pre-Switch
50 A @ +25 °C	4,1 V/ns	3,9 V/ns	1,1 V/ns	0,3 V/ns
200 A @ +25 °C	2,2 V/ns	7,0 V/ns	1 V/ns	1,2 V/ns
50 A @ +125 °C	3,2 V/ns	2,6 V/ns	1,1 V/ns	0,3 V/ns
200 A @ +125 °C	1,7 V/ns	4,2 V/ns	1,1 V/ns	1,1 V/ns

Tabelle 1: Schaltgeschwindigkeiten bei +25 °C und bei +125 °C.

Die Testergebnisse und die Oszillogramme (Bilder 3 bis 5) veranschaulichen, wie drastisch sich alle wichtigen Parameter verbessert haben, die sich auf das Design, den Wirkungsgrad und die elektromagnetische Abstrahlung des Umrichters auswirken. Die Daten zu den Schaltgeschwindigkeiten findet sich in den Tabelle 1.

Die Daten der Schaltenergien sowie eine Spalte mit der Bezeichnung X-Faktor finden sich in Tabelle 2. Dieser X-Faktor ist ein normierter Koeffizient, der den Multiplikator für den Nennstrom einer hart schaltenden gegenüber einer weich schaltenden und dem Pre-Switch-Regelalgorithmus ausgerüsteten Umrichterstufe, wobei sowohl PWM-Frequenz als auch Gesamtverluste jeweils gleich groß sind. Dieser Faktor belegt klar, dass mit dieser Soft-Switching-Technik eine massive Verbesserung möglich ist – entweder in Richtung höherer Nennströme in der Leistungsstufe oder in Richtung höherer Schaltfrequenz (jeweils bei gleichem thermischen Gesamtbudget des Systems).

Bemerkenswert ist auch, dass mithilfe der weich schaltenden Technik und des Pre-Switch-Regelalgorithmus eine herkömmliche B6-Topologie verwendet werden kann, um eine komplexere mehrstufige Konfiguration zu ersetzen und dennoch einen höheren Gesamtwirkungsgrad zu bieten – ganz zu schweigen von der Vereinfachung der Gate-Treiber-Schaltung.

Laststrom	hartes Schalten				weiches Schalten mit Pre-Switch				X-Faktor	Differenz
	E_ON	E_OFF	E_REC	E_TOT	E_ON	E_OFF	E_REC	E_TOT
50 A	14,0 mJ	7,8 mJ	7,8 mJ	29,6 mJ	0,4 mJ	2,8 mJ	5,2 mJ	8,4 mJ	3,52	–71,6 %
200 A	51,2 mJ	25,6 mJ	15,8 mJ	92,6 mJ	2,0 mJ	14,2 mJ	9,8 mJ	26 mJ	3,56	–72,0 %

Tabelle 2: Messungen der Schaltenergien beim Doppelpulstest bei +125 °C (E_REC ist die Energie, die in der Sperrerholzeit der parasitären Body-Diode verloren geht).