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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 2

Hinweise zur Leistungsfähigkeit

Um den Nettogewinn beim Wirkungsgrad zwischen dem hart schaltenden und dem weich schaltenden Modus richtig zu ermitteln, müssen einige zusätzlich anfallende Verluste bei der Berechnung des Gesamtwirkungsgrads berücksichtigt werden. Das betrifft Verluste in der Steuerungshardware (gemäß dem vereinfachten Testaufbau in Bild 6, der für die Implementierung der Pre-Switch-Steuerplatine erforderlich ist), in den Hilfsschaltern SA1 und SA2 sowie in den parasitären Elementen des Resonanznetzwerks.

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Kalorimetrische Tests (Bild 7) und die in der Modellierung enthaltenen zusätzlichen Schaltverluste stimmen gut überein und werden mit weniger als 20 W bei 200 A, 800 V und 5 kHz veranschlagt. Die zusätzliche Steuerplatine, die mit 15 V versorgt wird, nimmt weniger als 2 W auf. Die insgesamt 22 W an zusätzlichen Verlusten sind jedoch klein im Vergleich zu den etwa 300 W, die man sich bei 200 A Ausgangsstrom durch den höheren Wirkungsgrad mit Pre-Switch einspart. Die kalorimetrische Messung lief fast zwei Stunden bei voller Last. In diesem Vergleich sind alle Verlustleistungen (durch Schalten, Leiten, parasitäre Elemente, Hilfsspannung) enthalten, also auch die der zusätzlichen Hilfsschaltungen der Pre-Switch-Topologie.

Die in der kalorimetrischen Messung ermittelten gesamten Verluste und die Einsparung bei verschiedenen Testbedingungen sind in Tabelle 4 zu finden. Bei der höchsten Betriebsfrequenz sanken die gesamten Verluste um bis zu 42 %. Betrachtet man den maximal zulässigen Nennstrom im hart schaltenden Betrieb, so beträgt die Einsparung mit der Pre-Switch-Topologie etwa 28 %.

Diese Ergebnisse bedeuten eine deutliche Verbesserung im Vergleich zu jeder anderen in der Power-Management-Welt bekannten Technik. Darüber hinaus wurden die Ergebnisse ohne den Einsatz von Wide-Bandgap-Halbleitermaterialien erzielt. Die Einsparungen lassen sich mit dem gleichen IGBT-Powermodul und Frequenzumrichter erreichen.

Fazit

Die Pre-Switch-Topologie und der Regelalgorithmus können eine Performance von Wide-Bandgap-Bauteilen zu IGBT-Preisen liefern. Die Hüllkurve für die Reduzierung der Verluste kann je nach Arbeitspunkt variiert werden, beispielsweise durch Verdoppelung des Nennstroms oder bis zum Fünffachen der Schaltfrequenz. Verglichen mit herkömmlichen Topologien reduziert Pre-Switch die Schaltverluste um 70 % bis 95 % wie auch die Funkstörstrahlung und die Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung (du/dt).

Mit dieser Technologie können kostengünstige IGBTs mit teureren Technologien wie SiC-Mosfets konkurrieren. Umgekehrt können damit SiC-Bauteile bis zu 20-mal schneller schalten als heute, während gleichzeitig die Probleme mit der du/dt und der Funkstörstrahlung gelöst werden – eine Nebenwirkung hart schaltender Architekturen.

Die Pre-Switch AI bietet Vorteile beim Soft-Switching für jede Architektur der Leistungswandlung: AC auf DC, DC auf AC, AC auf AC und DC auf DC – jeweils sowohl galvanisch getrennt als auch nicht.

Referenzen

[1] N. Ikeda, et al.; High power AlGaN/GaN HFET with a high breakdown voltage of over 1.8 kV on 4-inch Si substrates and the suppression of current collapse; ISPSD 2008, pp. 287-290.

[2] R.W. De Doncker, J.P. Lyons; The auxiliary resonant commutated pole converter; Industry Applications Society Annual Meeting 1990, Conference Record of the 1990 IEEE, vol. 2, pp. 1228-1235.

[3] US-Patent: Resonant system controller and cycle-by-cycle predictive soft switching, US 20170179814 A1

[4] Infineon Technologies, 1200-V-IGBT-Modul FF200R12MT4